谐波阻抗控制的高效连续逆F类功率放大器设计

High Efficiency Continuous Inverse Class F PA with Harmonic Impedance Control

马亮、周健义、黄维辰，东南大学

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摘要：这篇文章提出了连续逆F类模式中新的一组电压、电流公式，这样使得三次谐波阻抗变成可变化的。本次设计采用传统F类中的谐波匹配网络来控制二次和三次谐波阻抗，而宽带的基波匹配网络则采用简化实频技术设计。为了验证所提出的设计方法，采用一款10W的GaN HEMT器件设计了一个连续逆F类功率放大器。在2.1 GHz ~ 2.4 GHz的频率范围内，放大器实现了大于71%的漏极效率，在2.3 GHz处，最大效率达到了84.3%。放大器的增益在整个带宽内大于10 dB，输出功率范围是39.7 dBm ~ 40.8 dBm。当输入信号为20 MHz的峰均比为8.4 dB的OFDM信号，采用数字预失真后，当输出信号功率为31.2 dBm时，信号的ACLR低于-50 dBc，这时的漏极效率为29.5%。当输入信号为100 MHz的峰均比为7 dB的五载波OFDM信号，当输出功率为32.8 dBm，经数字预失真处理后的ACLR低于-45 dBc，这时的效率达到39%。由此可见，所设计的连续逆F类功率放大器具有良好的线性度，适用于现代无线通信系统。

功率放大器是无线通信系统中关键的元件之一，由于高效率会使得冷却设备的费用降低，系统更为稳定，并且节约了能源，所以高效率往往成为功率放大器设计者追求的目标之一。F类和逆F类这样的谐波调谐类功率放大器通过减小电压、电流的重叠来提升效率^1,2。例如F类功率放大器是通过控制前三次谐波的阻抗来获得高效率³。现代无线通信系统需要越来越宽的带宽，例如LTE-Advanced需要高达100 MHz的带宽⁴。但是F类、逆F类功率放大器的带宽比较窄，并不能满足现代无线通信系统的要求。

为了解决F类、逆F类带宽窄的问题，连续F类、连续逆F类模式被提了出来^5,6，连续模式在保证传统F类、逆F类的输出功率、高效率的同时拓展了工作带宽。连续模式中的基波和二次谐波阻抗不再像传统F类、逆F类中是一个点，而是一个范围，从而拓宽了设计空间。起初，连续模式是用Cardiff大学开发的loadpull测试系统做实验验证，近年来已经有大量关于连续模式功率放大器的实物设计的报道^7-11。所有的报道都在宽带的带宽内实现了高效率，但是它们的谐波阻抗并不与理论十分吻合。

不管连续F类还是连续逆F类模式都没有从理论上解除对于三次谐波的阻抗的限制，对于三次谐波阻抗的要求仍然是一个固定的点，这对于实际的匹配网络是不可能实现的。这篇文章修正了连续逆F类的电压、电流表达式，拓宽了对于三次谐波阻抗的要求，同时，提出了一种可以很好控制谐波阻抗的匹配方法。为了评估所设计的功率放大器的性能，用了连续波信号和调制信号对其进行测试。

传统连续逆F类功率放大器

为了解决F类、逆F类功率放大器的窄带问题，近年来连续模式被提了出来，并得到广泛的研究^5,6,12。连续逆F类就是其中一个例子，它的电压、电流波形可以表达成如下形式¹¹：

结合式(3)、(6)和(8)，可以求得修正连续逆F类模式的基波导纳、二次谐波导纳和三次谐波导纳，如下：

修正连续逆F类模式的阻抗条件如图4所示。由图可知，相较于未修正前，修正后的三次谐波阻抗有了更灵活的变化范围。

修正连续逆F类功率放大器设计

理论上，连续逆F类功率放大器可以在宽的带宽内实现高效率，但是在实际设计中，同时匹配基波、二次谐波、三次谐波阻抗很困难。为了避免同时匹配带来的困难，一些设计者首先匹配基波阻抗，然后优化二次、三次谐波阻抗使得它们远离低效率区域^7,8。所以在这些设计中，谐波阻抗并没有落入理论的区域中。在这篇文章中，首先进行了谐波阻抗的匹配，然后再匹配基波阻抗，以达到良好的阻抗控制的目的。

GaN器件有着高的击穿电压，适合用在连续逆F类功率放大器的设计中。在这篇文章中，采用了CREE公司的CGH40010F芯片完成设计，这是一款带封装的10 W GaN HEMT芯片。整个的输出匹配如图5所示，图中包含了器件的封装参数。

为了有效地控制谐波阻抗，将谐波匹配网络放置于基波匹配网络之前。谐波匹配网络的结构如图6所示¹⁵。所有传输线的特征阻抗都为50 Ω。

传输线TL₂是一段四分之一短路线，在二次谐波处使得A点呈现短路状态，这样后级电路对于二次阻抗的影响被消除。TL₁是一段调整线，使得A点的短路状态被转换为电流生成平面的开路状态。在三次谐波处TL₄使得B点短路，TL₂在A点开路，所以传输线TL₁、TL₃的长度和器件封装参数满足一定的关系时，可以使得电流生成平面呈现短路状态。尽管当工作频率偏离中心频率f₀时，二次、三次谐波阻抗将各自偏离开路、短路点，但是对于修正连续逆F类模式而言，这样的偏离在可接受的范围之内。

功率放大器在2.1 GHz ~ 2.4 GHz的带宽内效率大于71%，最大效率为84.3%。输出功率约为10 W，增益大于10 dB。为了评估所设计放大器在实际通信中的性能，用了两种OFDM信号对其进行测试，并采用DPD做线性化处理。对于20 MHz、峰均比为8.4 dB的单载波OFDM信号，在输出功率为31.2 dBm，效率为29.5%时，经DPD改善后的ACLR小于-50 dBc。对于100 MHz、峰均比为7 dB的五载波OFDM信号，在输出功率为32.8 dBm，效率为38%时，经DPD改善后的ACLR小于-45 dBc。所设计的连续逆F类功率放大器具有良好的线性度，适用于现代无线通信系统。

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