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基于动态负载线 GaN HEMT 模型的谐波调谐功放设计

2020-03-29 23:08rf射频/无线 人已围观

简介随着无线通信技术的快速发展, 射频功率放大器作为收发机系统中必不可少的单元模块之一, 发挥着非常重要的作用。 通常衡量功率放大器性能最重要的技术指标包括效率、输出功率...

  随着无线通信技术的快速发展, 射频功率放大器作为收发机系统中必不可少的单元模块之一, 发挥着非常重要的作用。 通常衡量功率放大器性能最重要的技术指标包括效率、输出功率、增益、线性度等, 其中高效率功放一直是功放设计领域的热门研究方向。 近年来, 研究发现除基波阻抗之外, 合适的输入、输出谐波阻抗对改善功放效率也有着非常显着的作用。 通过有效控制功放谐波阻抗进而实现高效率的常见谐波调谐功放类别有 J 类 、F 类/ 逆 F 类、E 类等。
  
  由于 GaN 材料具有禁带宽度宽、击穿场强高、 热传导率高和峰值电子漂移速度高的特点, 能很好地满足功放高温、高频、高功率等工作要求, 因此基于 GaN HEMT 的功率放大器得到越来越多的研究。 然而, 当使用如图1  所示已经封装好的晶体管进行功放设计时, 由于寄生参数和封装参数的影响, 设计者往往只能基于晶体管器件端面进行分析和设计。 但是通过理论推导所得到的阻抗条件及漏极电流、电压波形都是基于理想晶体管电流源端面分析的。 因此, 实际设计过程中, 设计者无法简单地依据理论值进行分析和设计。 虽然可以采取寄生补偿的方法从电流源端面进行分析和设计, 但是该方法要求已知晶体管精确的寄生参数和封装参数。 而实际晶体管精确的寄生参数和封装参数由于受工作频率、温度等因素的影响一般难以获得。
  图 1   实际晶体管模型
  图 1   实际晶体管模型
  
  为此, 本文提出了一种在晶体管寄生参数和封装参数未知的情况下, 进行高效率谐波调谐功放设计的方法。通过负载牵引技术确定晶体管器件端面的最佳阻抗条 件 并设计 相 应 的 匹 配 网 络 , 再 根 据 动 态 负 载 线 GaN HEMT 模型所获得的电流源端面的电流、电压波形对功放整体电路进行调谐和优化, 设计了一款高效率谐波调谐功放。
  

  1设计原理

  
  1.1谐波调谐功放
  
  谐波调谐功放主要是通过控制高次谐波阻抗实现对功放漏极电流、电压波形的塑形, 减小两者的重叠, 减小器件损耗的方法来提高功放效率。 其效率可表示为:
  
  公式1
  
  式中 Pout . f 和 Pout. nf 为功放的基波输出功率和各高次谐波输出功率, Pdissipated 为晶体管的直流功耗。 同时, Pdissipated 和Pout. nf 可表示为:
  
  公式2
  
  式中 vDS ( t ) 和 iDS ( t ) 分别为晶体管漏极直流电压和直流电流分量。
  
  公式3
  
  式中 Vn 和 In 分别为晶体管漏极各高次谐波电压和电流分量幅度, 准n 为两者的相位差。
  
  由式( 1 ) 可知, 可以通过减小直流功耗和谐波输出功率以及增大基波输出功率的方式提高谐波调谐功放的效率。
  
  1.2动态负载线 GaN HEMT 模型
  
  为了方便功率放大器的设计和优化, Cree 公司为其GaN HEMT 器件开发了动态负载线大信号模型。 该模型除了栅极、漏极和源极端口外还增加了温度、本征漏极电流和本征漏极电压端口。 通过本征漏极电流和本征漏极电压端口, 可以很方便地得到不受寄生效应影响的位于电流源端面的电流、电压波形。 这对于验证功放工作类别及其性能有着非常重要的作用。
  

  2最佳谐波阻抗的分析与确定

  
  本次设计选用由 Cree 公司提供的型号为 CGH40010F的动态负载线 GaN HEMT 模型, 首先基于 ADS 谐波牵引技术分析和确定晶体管器件端面应满足的最佳谐波阻抗条件。
  
  由于在功放实际设计中, 无法实现对无穷次谐波的控制, 而且处理更高次的谐波对性能的提升非常有限, 同时需要更加复杂的谐波调谐网络, 其引入的损耗甚至可能超过处理高次谐波所提升的性能。 因此, 综合考虑功放性能和电路复杂度, 本次设计仅对功放二、三次谐波负载阻抗和二次谐波源阻抗进行了分析和调谐。
  
  通过谐波牵引可确定晶体管器件端面处不同反射系数相位( 不同谐波阻抗) 下, 输出功率和效率的变化情况。 功放输出功率和功率附加效率随负载二、三次谐波反射系数相位的变化情况分别如图 2 、图 3 所示。
  图 2 二次谐波负载牵引结果
  图 2 二次谐波负载牵引结果
  图 3 三次谐波负载牵引结果
  图 3 三次谐波负载牵引结果
  
  从图 2 可以看出二次谐波负载阻抗对功率附加效率的影响可达 30%以上, 对输出功率的影响为 2 . 5 dBm 左右。 其中 60 ° ~ 120 ° 为其高效率相位区域。 由图 3 可知,三次谐波负载阻抗对功放效率和输出功率的影响相较 于二次谐波负载阻抗要小一些, 但仍然会对功率附加效率产生 10% 左右的影响, 对输出功率有 0 . 65 dBm 左右的影响。 由仿真结果可知, 225 ° 附近为负载三次谐波的低效率相位区域。  因此, 在设计过程中应尽量使三次谐波负载阻抗位于该相位区域外。
  
  此外, 还分析了二次谐波源阻抗对功放性能的影响,牵引结果如图 4 所示。 可以看出, 不同的源反射系数相位下, 功放功率附加效率和输出功率的浮动范围可达 10 %和 0 . 8 dBm , 其影响甚至超过了三次谐波负载阻抗的影响。 因此, 在设计过程中, 二次谐波源阻抗也应充分考虑, 本次设计源二次谐波的高效率相位区域为 230°~300°。
  图 4 二次谐波源牵引结果
  图 4 二次谐波源牵引结果

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