亚太经合组织 主动和被动电子元件 1563 - 5031 0882 - 7516 Hindawi 10.1155 / 2017/2543917 2543917 研究文章 0.8 - -2.7 GHz设计高功率f级Harmonic-Tuned与寄生功率放大器补偿电路 http://orcid.org/0000 - 0003 - 4363 - 4735 程 Zhiqun 1 2 宣 贵院 1 http://orcid.org/0000 - 0002 - 0068 - 8613 柯 华杰 1 刘 国华 1 越南盾 志华 1 高 史蒂文 3 赵 Dixian 1 电子与信息学院 杭州一袭大学 杭州310018 中国 hdu.edu.cn 2 重点实验室的设备和应用程序 苏州Nano-Tech Nano-Bionics研究所 中国科学院 北京 中国 cas.cn 3 工程学院和数字艺术 肯特大学的 坎特伯雷CT2 7元 英国 kent.ac.uk 2017年 14 6 2017年 2017年 23 02 2017年 03 05年 2017年 22 05年 2017年 14 6 2017年 2017年 版权©2017 Zhiqun程等。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

设计、实现和测量效率高和高功率宽带GaN HEMT功率放大器。包寄生效应是显著减少了小说补偿电路设计来改善阻抗匹配的准确性。提出了一种改进的结构基于传统f级结构甚至谐波和三次谐波有效控制,分别。还stepped-impedance匹配方法应用于第三谐波控制网络,它有一个积极的影响扩大带宽。CGH40025F功率晶体管利用构建功率放大器工作在0.8到2.7 GHz,与测量饱和输出功率20 - 50 W,排水效率52% - -76%,并获得高于10 dB。第二个和第三个谐波抑制水平维持在16至−−36 dBc, 16至−−33 dBc,分别。仿真,提出了功率放大器的测量结果具有良好的一致性。

 中国国家自然科学基金 LZ16F010001 浙江省级公共技术研究项目 2016年c31070 中国国家自然科学基金 61306100 1。介绍

随着无线通信技术的快速发展,要求通信的速度和频率资源大幅增加( 1]。例如,在第四代移动通信技术,射频功率放大器用于基站料等高性能高效率和高输出功率。为了提高通信系统的能源效率和信号覆盖范围,效率和功率放大器的输出功率自2000年以来一个热门话题( 2- - - - - - 4]。同时,以覆盖更多的运营商的操作频段、功率放大器需要有良好的宽带性能。因此,功率放大器的重要性作为通信系统中最关键的模块是不言自明的。

谐波调优是关键技术之一,提高效率和输出功率。e类等各种操作类( 5),f级( 6,逆f级( 7提出了。特别是,f级操作吸引了关注由于其出色的性能 8]。一个典型的f级功率放大器的电路模型如图 1的Cout,鞠躬代表包晶体管的寄生效应。

f级功率放大器的线路图模型。

输出电压和电流的晶体管在时间域可以表示如下: (1) 我 d t = 我 0 + ∑ n = 1 ∞ 我 n · 因为 ⁡ n ω t + ξ n V ds t = V DD - - - - - - ∑ n = 1 ∞ V n · 因为 ⁡ n ω t + ψ n , 在哪里 n 谐波的顺序和吗 ξ n 和 ψ n 阶段的输出电流和电压 n 阶,分别。相关的电流和电压都是阻抗在某一个频率。每一个谐波的阻抗可以表示为 (2) Z l · n = V n 我 n · e j ϕ n , 在哪里 ϕ n = ψ n - - - - - - ξ n 。

根据理论的f级功率放大器( 9)、效率高和高输出功率可以预期的偶次谐波阻抗的匹配时为零,奇次谐波无限,基本50Ω。然而,它是非常难以实现上述需求在现实实践由于谐波的存在无限的订单和转变的基本包的阻抗引起的寄生效应。进一步分析将重点改善这两个方面,以提高f级功率放大器的性能。

一个新的体系结构提出了补偿方案的寄生效应,提高谐波功率放大器的控制能力。使用CGH40025F晶体管,我们建议的体系结构的功率放大器设计,经营范围从0.8到2.7 GHz的相对带宽的109%。设计功率放大器实现饱和输出功率超过43 dBm和平均消耗效率大于60%。最近宽带功率放大器研究工作表中列出 1。很明显,这项工作已经取得了很大的进步与之前的作品相比已发表在输出功率、排水效率、操作频率,获得整个频带。

与最先进的宽带功率放大器。

Ref。 带宽(GHz) (%) 权力(dBm) 获得(dB) 德(%)
( 10] 0.5 - -1.8,113 39 - 40.8 9 - 10.8 50 - 69
( 11] 1.0 - -2.9,97 > 39.3 > 10.3 > 56.8
( 12] 1.9 - -4.3,78 40 - 41.8 9 - 11 57 - 72
( 13] 1.4 - -2.7,63 41(约) 9(约) 68(平均)
这项工作 0.8 - -2.7,109 43-47 10 - 14 52 - 76
2。f级功率放大器的分析和设计 2.1。寄生效应的补偿

随着频率高,寄生效应变得越来越不可忽视。忽略包寄生效应会导致晶体管的输出阻抗的不匹配。给出了基本的控制阻抗的首要任务最小化以来的阻抗失配基本是主要的输出信号。

传统的晶体管电路和相应的谐波控制网络图所示 2(一个)( 14]。这部小说结构如图 2 (b)。在充分考虑实际的包效果( l o u t 和 C o u t ),电路的改进(引入补偿电路TL4起,TL5,之前和TL6)提出了这包寄生效应基本频率在一定程度上缓解。

电路设计的传统(a)和(b)改善谐波控制网络。

在这个f级功率放大器的理论推导,理想的参考平面的压控电流源表面功率晶体管(图 2(一个))。但输出针只能达到包飞机(绿色虚线框)由于物理限制的实际包(图 2 (b))。这个位置偏离理想的参考平面,将寄生效应引入到实际模型。

微带线TL4起,TL5,之前和TL6是用来调整电长度和特性阻抗,那么实际的晶体管的输出阻抗接近理想的输出阻抗没有包装。它可以观察到测量晶体管输出阻抗与寄生效应(黑色曲线)可以转移到补偿阻抗(蓝色曲线)通过添加寄生的规定,这是接近理想的模拟阻抗(红色曲线)如图 3。寄生补偿前后之间的测量比较图 4。一个可以看到两个排水效率和输出功率提高后的寄生补偿电路。明显减少寄生效应,这样基本可以实现阻抗匹配更好的设计。

寄生补偿基本阻抗。

排水效率和输出功率测量之前和之后的寄生补偿。

 2.2。高阶谐波抑制

根据图 2(一个),一种传统的f级功率放大器采用高品质因数谐波控制网观测,这只会匹配谐波三阶。这种传统谐波控制网络严重限制了带宽以及控制高阶谐波的能力;因此,它影响f级功率放大器的效率和输出功率大大( 15, 16]。

提出了一种改进的谐波控制网络设计如图 2 (b)。来自四分之一波长阻抗变换的原理,输入阻抗的shorted-terminal TL11结合TL3可以表示为 (3) Z 4 米 = j Z 3、11 棕褐色 ⁡ π 4 f 4 米 f 0 米 = 1、2 , 3 , … , 在哪里 Z 3 , 11 的特性阻抗是TL3 TL11, f 4 米 是( 4 米 )th谐波, f 0 是基本频率。

辐射线的存根TL10可以保持相同的阻抗特征在一个宽的带宽。的总电长度TL10 TL9选择 λ/ 8 ( λ是基本的波长)。打开终端的输入阻抗TL10结合TL9可以近似表示为 (4) Z 4 米 - - - - - - 2 = - - - - - - j Z 9、10 棕褐色 ⁡ π / 4 f 4 米 - - - - - - 2 / f 0 米 = 1、2 , 3 , … , 在哪里 Z 9 , 10 是TL9的特性阻抗和TL10吗 f 4 米 - - - - - - 2 是( 4 米 - - - - - - 2 )谐波。输入阻抗 Z 我 n 2 可以获得( 3)和( 4) (5) Z 我 n 2 = Z 4 米 - - - - - - 2 = 0 Z 4 米 = 0 米 = 1、2 , 3 , … 。

从( 5),并且谐波是匹配零阻抗。

考虑匹配的难度和有限区域的电路布局,奇怪的三阶谐波相匹配。Stepped-impedance匹配技术应用于谐波控制的f级功率放大器网络,大大降低了谐振网络的品质因数。微带线TL2、TL7 TL8被添加到谐波网络调整辅助线。加上TL1,第三个谐波抑制。对于TL1,输入阻抗点可以表示为 (6) Z 一个 = - - - - - - j Z 1 t 一个 n π / 6 f 3 / f 0 , 在哪里 Z 1 TL1的特性阻抗和吗 f 3 是三次谐波。 Z 一个 持有第三谐波零。输入阻抗 Z 我 n 3 可以表示为 (7) Z 我 n 3 = j Z 8 Z 2 棕褐色 ⁡ 6 π / n 1 + Z 8 棕褐色 ⁡ 6 π / n 2 Z 8 - - - - - - Z 2 棕褐色 ⁡ 6 π / n 1 棕褐色 ⁡ 6 π / n 2 。

Z 2 和 Z 8 分别是TL2的特性阻抗和TL8。TL7 stepped-impedance行减少反射阻抗失配造成的。理论上的总电长度TL2 TL8 = λ / 12 ,第三次谐波阻抗的维持在高阻抗区域在一定的频率范围,这就需要 λ / n 1 + λ / n 2 ≈ λ / 12 。 λ / n 1 和 λ / n 2 分别是TL2的电气长度和TL8。

新提出的f级功率放大器拓扑(图 2 (b)(图)是优于传统结构 2(一个)偶次谐波),所有可以匹配零阻抗的谐波控制在一个更广泛的频带偶次谐波(保持在低阻抗和第三个谐波是保持在高阻抗)。

模拟的二次谐波阻抗(1.6 - -5.4 GHz)和三次谐波(2.4 - -8.1 GHz)如图 5对于拓扑。与传统结构相比,新结构表明,二次谐波和三次谐波的阻抗是更好的保持低阻抗区和高阻抗区在整个频段,分别。

传统和改进模拟第二和第三次谐波阻抗结构。

漏极电流和电压模拟这两种不同的拓扑中显示数据 6(一)和 6 (b),分别。它可以观察到,漏极电流和电压波形的重叠在新的拓扑减少,因此效率和输出功率的新拓扑获得更高。

时域模拟漏极电流和电压波形对传统结构(a)和(b)改进结构。

谐波控制网络也添加到输入。第二次和第三次谐波阻抗的匹配0和无限,分别。基本的输入阻抗和输出需要匹配到50Ω。最后提出了设计功率放大器在图的示意图 7。

完整的功率放大器的示意图。

 3所示。制造和测量结果

CGH40025F晶体管采用这项工作,这是一个甘HEMT Cree公司。宽带功率放大器实现在罗杰斯衬底介电常数的3.66和0.762毫米的厚度,如图 8。门口偏见设置为−2.7 V。漏极电压设定在32 V而不是通常的建议28 V提供了一个更高的输出功率效率为代价的。使用连续波进行了测量。输出功率的测量和模拟结果,排水效率、功率效率(PAE),并获得良好的协议如图 9和 10,分别。测量饱和输出功率是43 dBm和47 dBm之间从0.8到2.7 GHz给予109%的带宽。排水效率和PAE是52% - -76%和48.5% - -71%之间,分别获得高于10 dB。

的照片捏造功率放大器。

测量和模拟输出功率、传动效率和增益与频率。

测量和模拟PAE与频率。

最大输出功率测量整个乐队47 dBm的最低为1.4 GHz,在2.7 GHz 43 dBm。最大的排水效率测量整个乐队是76%在2 GHz的最大PAE 71% 1.8 GHz。基于上述结果,证明了所提出的新结构是可行的实现宽带f级功率放大器效率高,输出功率高。

测量排水效率和增益和输出功率为0.8,1.7,2.0,和2.6 GHz数据所示 11和 12,分别。这些频率涵盖我们感兴趣的频率范围和0.8 GHz 2.6 GHz频率上下,1.7 GHz的中心频率,2 GHz的位置排水效率最大。排水效率逐渐增加而增加输出功率如图 11。排水效率高可以获得较高的输出功率。

测量排水效率和输出功率为0.8,1.7,2.0和2.6 GHz。

测量增益和输出功率为0.8,1.7,2.0和2.6 GHz。

可以看到,当输出功率达到一个特定值时,增加开始迅速下降,而效率是增加如图 12和 11。增益的降低表明线性的损失。它也表明,高效率和高线性度很难同时获得,我们必须权衡功率放大器的设计。

图 13显示测量和模拟排水效率和增益和输出功率在1.7 GHz。当输出功率到达43 dBm以上,获得效率开始下降,但仍在继续增加。模拟和测量同意对方在可接受的范围内。

对比测量和模拟排水效率和增益和输出功率在1.7 GHz。

图 14显示模拟和测量第二和第三谐波失真功率相对于基本频率输出功率。谐波抑制水平较低的频率并不满足在高频率,因为相对测试频带宽,低频率都包含在高基本频率的谐波测量期间不可避免的。为了更好地匹配的基本,我们需要妥协的低频谐波阻抗匹配。第二个和第三个谐波抑制水平维持在16至−−36 dBc, 16至−−33 dBc,分别。

测量和模拟第二和第三相对谐波水平。给出的结果是相对于基本频率输出功率。

 4所示。结论

摘要小说架构提出了补偿基本阻抗抵消由于包寄生和抑制谐波,实现高效率和高输出功率。测量结果验证了结构的可行性。测量结果表明,相对带宽范围的109% 0.8 -2.7 GHz,饱和输出功率超过43 dBm,平均效率超过60%,并获得高于10 dB。结果表现显著优于传统f级功率放大器。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 确认

这项工作是支持的中国浙江省自然科学基金重点项目(没有。LZ16F010001)、浙江省公共技术研究项目(没有。2016 c31070),中国国家自然科学基金(没有。61306100)。

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