逆F類射頻功率放大器的設計摘要科技的發(fā)展日新月異，無線通信技術的發(fā)展讓人們的生活也更具有多樣性，人們可以利用新科技完成以前做不到的事情。如日常生活中的無人駕駛，視頻會議，人們探索宇宙信息傳輸或是軍事國防領域電子對抗等。一些先進的通信系統(tǒng)也依賴于先進的硬件系統(tǒng)，射頻功率放大器便是其中之一。一款優(yōu)秀的射頻功率放大器，能綜合各項技術指標，滿足一些現實功能的需要。在所有的功率放大器中，F類與逆F類射頻功率放大器結構相較于其他功率放大器更為簡單，不考慮其他參數因素的效率可達100%。本論文簡要介紹了當今社會和過去社會的射頻功率放大器的發(fā)展狀況。對于功率發(fā)大器的各項性能指標，設計方法以及分類進行了分析。在本次畢設設計過程中選用的是LDMOS晶體管，在晶體管選型完畢后將晶體管導入軟件系統(tǒng)，在軟件內設計它的輸入輸出匹配電路，在設計過程中考慮晶體管的寄生參數的影響并將它與諧振網絡的設計結合。同時設計輸入輸出的偏置電路以減小射頻信號與直流信號帶來的誤差。最終通過控制二三次諧波的短路或開路，獲得理想的電流電壓波形，并將效率最大化。在進行電路仿真操作時使用的是ADS軟件，最終設計出來的逆F類射頻功率放大器功率附加效率最大值達到了63.524%，輸出功率最大值達到了42.475%，輸出功率大于40dBm，功率附加效率大于60%，線性度符合要求，總體滿足設計要求。關鍵詞：逆F類功率放大器功率附加效率輸出功率ADS軟件諧波控制網絡目錄TOC\o"1-3"\h\u221291.緒論 17301.1課題研究的背景 1172341.2當今社會射頻功率放大器的發(fā)展狀況 175521.3主要工作和章節(jié)的安排 2138622.射頻功率放大器介紹 4186472.1射頻功率放大器的技術指標 4174812.1.1工作頻帶 469302.1.2輸出功率 4205502.1.3功率增益 513282.1.4效率 695552.1.5穩(wěn)定性分析 648492.1.6非線性分析 6327532.1.7增益平坦度 7306112.2射頻功率放大器的分類 7297532.3CMOS功率放大器 9136502.4LDMOS功率放大器 10265872.5射頻功率放大器的分析方法 10240573.ADS軟件介紹 12176323.1ADS軟件簡介 1274453.2ADS使用流程 13296104.逆F類射頻功率放大器的分析 161244.1F類與逆F類射頻功率放大器原理分析 16240104.2諧振網絡的設計 20231065.逆F類功率放大器的設計 2222075.1設計指標 22121365.2有源晶體管和介質材料分析 2235515.3逆F類功率放大器的仿真 231795.3.1晶體管的直流特性分析 23106175.3.2偏置網絡設計 25265165.3.3考慮寄生參數的諧波網絡設計 2639505.3.4負載牽引法 2738545.3.5原理圖仿真分析 3145026.總結與展望 364339參考文獻 37緒論課題研究的背景當前是一個信息科技迅速發(fā)展的時代，在通信這一領域發(fā)展尤為顯著。從1G到5G信息傳輸的速度和質量越來越高。這也促使著一系列先進應用工具的進一步發(fā)展，如無人駕駛技術，人臉識別技術，藍牙技術，智能手機等等。在日常生活中，憑借著信息科技的迅速發(fā)展，人們可以進行視頻會議，網上面試等一系列活動，極大地方便了人們的生活。這些都要求信息的高效率，高質量傳輸。射頻功率放大器作為信息通信的前端模塊就顯得尤為重要。5G時代到來有一部分原因得益于射頻功率放大器的飛速發(fā)展，在建造的基站中射頻功率放大器占據了絕大多數功耗，因此想要設計一款受人歡迎的射頻功率放大器應考慮盡可能的降低功耗，增加帶寬和提高效率。射頻功率放大器具有很多種類，其中屬于開關類的逆F類射頻功率放大器具有無可比擬的優(yōu)勢，通過調整輸出回路的阻抗讓諧波短路和開路即可調高功率放大器的效率，這顯得尤為方便。因此高效率，高功率，高帶寬和小體積的射頻功率放大器已經成為了當前時代的發(fā)展趨勢。一些先進的功率放大器在一些軍事，科研探索領域也有著極為重要的應用。最近幾年射頻通信領域得到了巨大的發(fā)展，5G時代的到來使得人們在遠距離交流過程中可以傳輸大量的視頻和圖片信息。藍牙技術也得到了空前的發(fā)展。人們在研究無線通信的同時也開辟了蜂窩移動通信市場的新領域。因此設計一款好的逆F類射頻功率放大器已經成為了大勢所趨。當今社會射頻功率放大器的發(fā)展狀況射頻功率放大器是信息傳輸領域的一個重要模塊，如何提高功率放大器的效率顯得至關重要。由于逆F類射頻功率放大器高效率的優(yōu)勢，近幾年人們研究目光鎖定在它的高效率的研究設計上，且取得了一定方面的成果。2015年，等人提出了一種逆F類功率放大器的設計模型，采用源牽引，負載牽引的方法獲得到最佳輸入輸出阻抗，測試表明:2.4GHz下PAE為77%，輸出功率為12WADDINNE.Ref.{0BC681D0-31C0-42DA-9DA5-15FC03F51966}[1]。2017年，等人設計了一種逆F類射頻功率放大器，這款射頻功率放大器具有連續(xù)的特性，它的工作頻帶大致范圍為1.7-2.9GHz，設計核心部分為階躍阻抗匹配電路，測試結果表明，在工作帶寬內，增益波動小于2dB，飽和功率大于40.5dBm，峰值效率為65%～76%ADDINNE.Ref.{96E775CD-73A8-47AE-8A68-2DAB44395286}[2]。2019年，等人設計了一款工作在2.6GHz的逆F類射頻功率放大器，在輸出網絡的設計方面充分考慮了對于多次諧波的控制，提高了輸出效率，由于柵源寄生電容的存在在輸出回路中加入了二次諧波抑制電路的設計，進一步提高了輸出效率。最終，經過仿真優(yōu)化最大，最大功率附加效率為72.16%，輸出駐波比為小于2，輸出功率達到了43.32dBm，漏極效率經過調試得到的最大值為77.91%ADDINNE.Ref.{7A6AAF72-7A23-490C-A2F1-E5C9B19666FF}[3]。2020年，等人設計了一款波段（32～38GHz）的功率放大器，該功率放大器在巴倫上加入諧波控制網絡來提高效率，仿真結果表明，在2.5V供電電壓下，在中心頻率35GHz，功率增益為29.2dB，輸出功率1dB，最高功率附加效率達到20%ADDINNE.Ref.{5047003A-CA25-4DDD-8489-BD798D200B78}[4]。2020年，等人設計了一款逆F類射頻功率放大器，它工作在3.3GHz—3.6GH，為了提高輸出能力，采用了平衡結構，且考慮了帶有寄生參數的諧波控制網絡和結構，通過仿真設計，它的功率附加效率達到了77%，功率減少6dB時，DE從最大的82.6%降到69%左右ADDINNE.Ref.{26C238A5-777B-4115-A8AA-004C4C6E6560}[5]，增益平坦度約為±1.5dBREF_Ref30644\r\h。主要工作和章節(jié)的安排本文主要對逆F類射頻功率放大器的原理和設計進行分析，通過將一個完整的射頻電路分成偏置電路，諧波控制電路部分，有源晶體管部分，進行分步設計。最后使用飛思卡爾公司的LDMOS晶體管進行操作和設計，使用的軟件為AdvancedDesignSystem高級設計系統(tǒng)ADDINNE.Ref.{F44A2155-AAFF-469E-BDE1-467BCBE7ED9B}[6]。本文的主要工作安排如下：主要介紹通信傳輸方面的當前發(fā)展趨勢。第二章，主要闡述了功率放大器的各項技術指標，有助于后文各種參數的理解，然后介紹了各種不同類型的功率放大器，以此分析他們的各種優(yōu)劣情況。以及如何設計一款射頻功率放大器。第三章，主要闡述ADS軟件的主要應用領域，講述它是如何操作的，以及用ADS軟件設計一款射頻功率放大器的詳細步驟。第四章，主要講述逆F類射頻功率放大器的原理，通過對它的電流和電壓方程式進行求微分操作，得到各次諧波，分析產生電流方波和電壓半正弦波的原理和方法。最后還介紹諧振網絡的重要性。第五章，主要進行了逆F類射頻功率放大器的理論設計，在進行設計的時候主要考慮了如何充分控制諧波，利用考慮寄生參數的微帶線的匹配設計，實現功率放大器想要的設計，即實現輸出端二次諧波開路，獲得方波信號，以此提高效率。第六章，總結與展望，主要講述了本次設計的已經達成的目標和需要進一步完善的地方。射頻功率放大器介紹射頻功率放大器的應用日漸廣泛，下文將從它的技術指標和分類方面進行詳細介紹。射頻功率放大器的技術指標射頻功率放大器通常具有指定的工作頻率和效率，并且在某一頻帶內工作。它的主要技術指標有：工作頻帶射頻功率放大器的帶寬表達式為：（2-1）相對帶寬表達式為：（2-2）其中為上限頻率，為下限頻率，為中心頻率ADDINNE.Ref.{4523797C-98E8-45A3-8746-175A6656B494}[7]。輸出功率圖2-1輸入功率和輸出功率的關系圖射頻功率放大器的輸出功率可以表示為和，前者可以理解為為一分貝壓縮點輸出功率，后者為飽和輸出功率。由圖2-1可見，為飽和輸出功率，字面意思為為達到飽和狀態(tài)的輸出功率，即當輸入功率不再增加且狀態(tài)慢慢變得平緩時，此時查看它的輸出功率的值這個值就是飽和輸出功率，指輸出功率減去輸入功率為1dB時的輸出功率ADDINNE.Ref.{3DF434AC-30B0-487E-A548-C57CDDCC1995}[8]。功率增益圖2-2為功率放大器內部結構圖它擁有如下幾個部分：信號源，輸入匹配電路，晶體管，輸出匹配電路和負載。在電路圖中為消耗在負載上的功率為功率放大器的輸出功率為功率放大器的資用功率為信號源上的資用功率ADDINNE.Ref.{F20DA0DF-6BD4-403E-B28A-8C6710BC828E}[9]。圖2-2功率放大器內部結構圖（1）實際功率增益：（2-3）資用功率增益：（2-4）（3）轉換功率增益：（2-5）效率功率放大器的效率中為漏端輸出功率為直流功率為輸入功率漏端效率表示為：（2-6）為放大器損耗功率，越小漏端效率越大，由于漏端效率未考慮輸入功率所以無法很好的判斷放大器的效率大小。功率附加效率表示為：（2-7）它表示輸入功率輸出功率和效率的關系，當不變越大效率越大。穩(wěn)定性分析功率放大器的穩(wěn)定是功率放大器正常工作的關鍵，具有穩(wěn)定的輸出功率可以防止信號失真，有助于實驗現象的分析和理解。在S參數的有源二端口網絡中，穩(wěn)定性有條件穩(wěn)定和絕對穩(wěn)定兩種，其穩(wěn)定性因子K表示為：（2-8）其中，當，時，為條件穩(wěn)定。非線性分析非線性指的是放大器在失真時的各項性能指標，它可分為諧波失真和互調失真圖2-3功率放大器互調失真系數諧波失真：電路的輸出端，諧波信號未能很好的被控制，使得設計者需要的電壓或電流信號被干擾出現失真，互調失真：在輸入端輸入兩個信號，輸出端會出現輸入信號的各種和差的組合，若出現失真即為互調失真，更多時候只考慮他三階狀態(tài)下的失真。假設互調信號功率，主頻率信號功率可得（2-9）增益平坦度只在一定溫度下，整個工作頻率范圍內放大器增益變化的表達式：（2-10）其中和分別是頻帶增益的最大值和最小值ADDINNE.Ref.{76F11B6B-4FE0-49B0-A97A-FD167FEDB6B3}[10]。射頻功率放大器的分類射頻功率放大器有許多種類，如今中國推行5G信號，鑒于中國土地遼闊，人口密度分布極度不均，建造信號基站再合適不過了，因此當下高帶寬小體積高效率的射頻功率放大器更受歡迎。射頻功率放大器的頻率沒有特定的范圍，它可以是幾百Hz也可以是幾千Hz，它的種類有開關類和偏置類，其中F類與逆F類射頻功率放大器屬于開關類，其他則屬于偏置類。圖2-4射頻功放的電壓電流關系曲線圖如圖2-4所示，A類放大器的靜態(tài)工作點處，可以觀測出完整連續(xù)的輸入輸出波形具有良好的線性度，前提是輸入功率較小，它在理想狀態(tài)下效率可以達到50%，效率較低。B類放大器的靜態(tài)工作點在A點之下，它在理想狀態(tài)下效率可以達到78.5%，效率較高，但是由于更高次諧波的存在，影響了它的線性度。C類功率放大器正常的工作位置處于截止區(qū)，理想工作效率為100%，在實際中通常需要降低它的工作效率以滿足輸出功率的需要。圖2-5理想F類PA的半正弦波電流波形和方波電壓波形圖2-6理想逆F類PA的半正弦波電壓波形和方波電流波形D類功率放大器的效率理論可達100%，理想輸出波形為方波的電壓波和半正弦波的電流波，由于其兩個有源晶體管無法完全等效為兩個理想的開關，所以無法達到理想狀態(tài)。E類功率放大器的一個有源晶體管類似于一個占空比為50%的開關，通過在輸出端加濾波和匹配網絡降低損耗，提高效率。F類功率放大器偏置在B類工作點附近，采用E類開關模式工作，利用諧波分量提高效率降低損耗，實現如圖2-8所示，輸出波形為方波的電壓波和半正弦波的電流波，而逆F類射頻功率放大器則是通過調整諧振網絡獲得如圖2-9所示，輸出波形為方波的電流波和半正弦波的電壓波。CMOS功率放大器CMOS又被稱為互補金屬氧化物半導體，它是一種芯片且專門用來存放數據，它由電壓控制。射頻功率放大器通常以效率和輸出功率為指標,它通常有中間級，功率放大級等。它通常作用在天線中，目的是提高功率以將信號發(fā)射出去，同時其諧波信號要夠小不對其他信道造成干擾。SiCMOS技術使得射頻集成電路成為可能，可以極大地縮小電路體積，開放了廣闊的市場。同時射頻電路的各項性能指標如功率附加效率，功率增益，輸入輸出功率，帶寬等等難以同時達到最優(yōu)。例如，線性度的提高會使得功率附加效率的降低，同時會消耗直流功率。圖2-7CMOS晶體管示意圖功率放大器是信號收發(fā)端的末端器件，在設計CMOS功放時有時可采用巴倫設計，巴倫是指平衡不平衡轉換器，單端信號在經過某些電路時可以變成差分信號，如巴倫電路。巴倫有電感的阻斷交流作用，也有電容的隔離直流作用。因此在設計時可以大大縮小系統(tǒng)的體積，有助于CMOS功率放大器的開發(fā)。在進行CMOS功放的電路設計的時候通常需要進行以下幾個部分的設計：輸入匹配，驅動級，級間匹配，功放級，輸出級。LDMOS功率放大器LDMOS晶體管又被稱為橫向擴散金屬氧化物半導體，由于適合高壓環(huán)境以及功率控制環(huán)境常用于高壓集成電路和射頻電路中。LDMOS晶體管可以與CMOS晶體管兼容且在一些關鍵器件性能參數方面擁有許多優(yōu)勢。圖2-8LDMOS晶體管示意圖射頻功率放大器的分析方法射頻功率放大器有很多種分析方法，有針對輸入輸出端口反射系數和傳輸系數的小信號分析和大信號分析，根據晶體管的輸入輸出回波損耗以及隔離增益系數可以進行小信號散射參數分析，而大信號分析由于輸入電平的變化導致S參數不斷變化，需要計算機進行模擬匹配輸入輸出電路，獲得S參數后再進行阻抗設計。還有動態(tài)阻抗設計法，這種設計方法需要計算機不斷進行電路調試通過改變電路參數獲得最佳負載線，和獲得要求的效率和功率，再根據得到的輸出阻抗進行阻抗匹配設計電路，由于太過復雜，不太適合運用。通常設計功率放大器會使用到負載牽引法，這種方法通過計算機仿真軟件將不同的負載接到晶體管的輸出端，設定輸入信號通過仿真在史密斯圓圖上找出此輸出功率下的最大功率附加效率并記下負載阻抗，然后重復上述操作，接著畫出有關等功率附加效率曲線圖然后找出最佳負載。最佳源阻抗的尋找方法與此類似。在實際操作過程中，首先進行參數設定像輸入功率和晶體管選型，然后調用load-pull和source-pull，在電路圖上設定一些輸入信號，工作頻率等參數，不斷進行仿真調試，找出最大功率附加效率的負載阻抗值。若在阻抗匹配時多次諧波對基波波形有較大影響，則在阻抗匹配時還需要用多次諧波的阻抗值進行匹配，直到諧波不再影響基波波形，確定出最佳阻抗。ADS軟件介紹ADS軟件簡介ADS是一款十分優(yōu)秀的射頻仿真設計軟件，人們利用這款電路主要進行仿真操作，方便設計出一些符合要求的射頻功率放大器等先進設計系統(tǒng)在許多射頻領域或是微波模塊領域和MMIC方面有著廣泛的應用。ADS可以提供時域頻域電路和電磁場仿真設計的全套仿真工具，在仿真過程中擁有電路驗證檢查的能力。ADS電子設計擁有很強的自動化功能設計能力，以及各種仿真能力，在數字電路模擬電路以及微波天線領域擁有極好的仿真效果，使用前景非常廣闊。先進設計系統(tǒng)具有許多優(yōu)秀的功能，設計人員可以在上面設計一些射頻電路，模擬電路等等，滿足一些既定的需要，或者繼續(xù)進行仿真評估實驗，根據一些既定的的試驗現象，調整實驗數據繼續(xù)調試直到獲得想要的數據。針對一些新上手ADS的科技人員，這款軟件還具有新手導向功能，通過一些簡單的指令，完成某個簡單的電路實現一些既定的功能。ADS還具有和EDA軟件進行諧仿真的能力，如SPICE、MentorGraphics的ModelSim、Cadence的NCVerilog、Mathworks的Matlab等。圖3-1ADS圖片圖3-2ADS操作界面ADS使用流程下面簡單介紹一下ads的使用流程新建一個新的工程點擊下拉菜單file-new-workspace輸入name，然后在createin欄目內輸入要保存到的地址新建原理圖和版圖和symbol點擊schematic圖標，輸入cell名稱點擊layout圖標，輸入cell名稱點擊symbol圖標，輸入cell名稱原理圖設計點擊左邊的search窗口進行元器件的搜索選擇insertwire圖標進行元器件的連線在搜索欄選擇s參數設置調好自己想要的參數，點擊simulation進行仿真調諧仿真點擊simulation圖標，選擇想要的參數再出現的方框圖中進行參數調節(jié)，選擇想要的波形直流分析點擊insert>template>FET_curve_tracer在左邊的窗口欄中選擇自己想要的芯片選擇insertwire圖標進行元器件的連線點擊simulation圖標，分析仿真圖表源牽引（負載牽引）點擊Designguide>amplifier在出現的方框欄中選擇1-ToneNonlinearSimulations>sourcepull(loadpull)在左邊輸入欄選擇自己要測試的芯片將芯片放置于原理圖版面上選擇insertwire圖標進行元器件的連線點擊simulation圖標，分析仿真圖表阻抗匹配1、在左邊窗口選擇simulationSpara>term、Smithchart2、根據輸入輸出阻抗設計term參數，選擇insertwire圖標進行元器件的連線3、選中smithchart>點擊tools>smithchart4、在右下角設置Zs，ZL阻抗5、在palate欄中選擇合適的元器件將Zs，ZL阻抗連接起來6、點擊buildadscircuit>close八、單音調諧平衡仿真1、點擊Designguide>amplifier2、在出現的方框欄中選擇1-ToneNonlinearSimulations>從上往下數第六個3、在左邊輸入欄選擇自己要測試的芯片4、選擇insertwire圖標進行元器件的連線5、點擊simulation圖標，分析仿真圖表圖3-3單音調諧平衡仿真選擇逆F類射頻功率放大器的分析科技的發(fā)展日新月異，無線通信技術的發(fā)展讓人們的生活也更具有多樣性，一些先進的通信系統(tǒng)也依賴于先進的硬件系統(tǒng)，F類與逆F類射頻功率放大器結構相較于其他功率放大器更為簡單。因此慢慢進入了人們的視野。下文將講述逆F類射頻功率放大器的原理及其設計方法ADDINNE.Ref.{6E0D811C-B3C0-402C-81DF-3A86C8165928}[11]。F類與逆F類射頻功率放大器原理分析奇次諧波短路偶次諧波開路諧波控制網絡奇次諧波短路偶次諧波開路諧波控制網絡圖4-1逆F類射頻功率放大器原理圖電壓和電流：（4-1）（4-2）基波輸出功率：（4-3）（4-4）漏極理論最大效率：（4-5）100%漏極效率的阻抗條件：（4-6）100%漏極效率的阻抗條件一般需要四分之一波長傳輸線和高Q值的諧振回路實現。對方波電流和半正弦波電壓表達式進行傅里葉變化，得到電流和電壓表達式ADDINNE.Ref.{A5A5A062-167B-484A-A887-DC626CDB2939}[13]：（4-7）（4-8）式中：，是基波頻率，式（4-7）中包含了電流的直流分量和各奇次諧波電流之和，式（4-8）中包含了電壓的直流分量和各偶次諧波電壓之和ADDINNE.Ref.{3A9F948D-4753-40AD-A7CA-BDEFC2C0841A}[14]對方波電流表達式，式（4-7）求微分表達式一階微分表達式：（4-9）二階微分表達式：（4-10）三階微分表達式：（4-11）四階微分表達式：（4-12）五階微分表達式：（4-13）由圖2-9理想逆F類功率放大器的波形圖可知，當時，理想逆F類功率放大器分別獲得最大的電流值和最小的電流值，且都處于中間位置，由最平坦度波形要求可知，需要當時偶階微分方程為0，當n為奇數時保持各奇階微分方程為0。當只考慮基波信號和三次諧波信號時得以下表達式：（4-14）（4-15）進而得到基波分量和三次諧波分量與直流分量的表達式關系：（4-16）當只考慮基波信號和三次諧波信號和五次諧波信號時得以下表達式：（4-17）（4-18）（4-19）進而得到基波分量，三次諧波分量和五次諧波分量與直流分量的表達式關系：（4-20）這樣就得到了三次諧波峰化和五次諧波峰化的電流波形，可以從圖3-1中看出隨著諧波次數的增加，電流波形越來越接近于方波ADDINNE.Ref.{A57069E5-A74A-4594-A10D-77C6BC082386}[15]。圖4-2考慮諧波時的電流波形變化圖圖4-3考慮諧波時的電壓波形變化圖同理通過對電壓表達式求各階微分表達示，通過各階微分表達式分析可知當n為偶數且時各奇階微分表達式為0，又由最平坦度的要求各偶階微分表達式也要為0，由此可通過電壓波的方程，求得只考慮基波信號和二次諧波信號時的表達式和只考慮基波信號，二次諧波信號和四次諧波信號時的表達式，進而得到各次諧波分量和直流分量的關系式（4-21）和（4-22）。（4-21）（4-22）（4-23）通過效率的表達式（4-23）可以得到隨著電壓和電流諧波分量的增加效率也會增加。當電流諧波的峰化最高次數達到九次，電壓的最高諧波峰化次數達到六次時最大漏極效率可達93.1%。在實際設計中，必須考慮有源晶體管內外部寄生參數的影響。因此為實現逆F類功率放大器高效率的要求，要使得它的奇次諧波被短路消除奇次諧波，這樣就能獲得半正弦波電壓信號，達到理想狀態(tài)下的100%效率，而實際過程中為方便我們只考慮二三次諧波。諧振網絡的設計在設計逆F類射頻功率放大器的時候需要進行諧振網絡的設計，因為輸入信號高頻的情況下考慮到有源晶體管的非線性，輸出的一般諧波會對功率放大器的效率有影響，需要對輸出諧波進行調配以獲得最優(yōu)諧波振幅和各次諧波的最優(yōu)輸出阻抗以最大化漏極輸出效率ADDINNE.Ref.{5E384C3C-3503-4F70-A9C3-4CF0BDDA200C}[16]。在電路中，諧振網絡的作用是對輸出電壓或電流波的偶次或奇次諧波進行短路或開路操作。理想F類功率放大器輸出端采用四分之一波長微帶線進行諧波控制，理想的逆F類射頻功率放大器輸出端可采用ＲＦ短路六分之一波長微帶線與串聯微帶及二次諧波終端八分之一波長開路短截線組合實現諧波控制。圖4-4小信號有源晶體管等效電路圖在設計射頻功率放大器的時候，需要考慮到有源晶體管寄生參數的影響，在設計諧振網絡的時候需要把他們考慮在內，圖4-3為有源晶體管小信號的分析模型，模型中包含了各種端子之間產生的額外電容電感以及外部寄生元件，這些寄生參數在設計時需要借助一些模擬仿真軟件進行提取，以方便后續(xù)設計。諧振網絡一般采用微帶線的SIR結構和T型結構以滿足設計要求，有助于消除寄生參數的影響，獲得理想的漏極效率。逆F類功率放大器的設計設計指標本章將通過合適的電路設計，和計算機仿真軟件的模擬仿真調試，設計了一款逆F類射頻功率放大器。其具體需要滿足的要求：主要工作范圍：2.3GHz-2.4GHz輸出功率要求：功率附加效率：功率增益：>10dB有源晶體管和介質材料分析設計一個良好的功率放大器，需要選擇一款適合設計要求的有源晶體管，當前市面上晶體管款式種類較多，各方面優(yōu)缺點也參差不齊，所以非常有必要對各類主要晶體管進行分析，以幫助更好的選擇適合的有源晶體管。隨著科技的發(fā)展有源晶體管也向著低價格高功率高性能方向發(fā)展，一代晶體管以Si雙極性晶體管為代表，由于各項性能參數方面的缺陷，無法滿足設計需要。二代晶體管以化合物半導體為代表，由于其較寬的頻帶，適宜的價格，較高的頻率不錯的電子遷移率且適合一些高功率的工作環(huán)境等特點，非常具有性價比。第三代晶體管以GaNHEMT晶體管為代表，由于這類晶體管發(fā)展還不全面仍有許多缺點例如價格，穩(wěn)定性，偏置電壓等方面，所以也不適宜設計需要。隨著無線通信技術的發(fā)展，發(fā)射機前端對于射頻功率放大器的要求日漸提高，然而線性度和效率兩者無法同時提高，兩者相互矛盾。目前市場上的一些晶體管由于還未發(fā)展成熟，在功率放大器的一些基本參數方面發(fā)展還很不全面，如穩(wěn)定性偏置電壓等方面。為了兼顧線性度和效率，設計者往往會對電路的結構進行升級改善。此次設計中使用到的是LDMOS晶體管，這類晶體管具有一些顯著的優(yōu)點，例如良好的導熱性能，耐高溫，適中的價格，較寬的頻帶等。但是由于它的截止頻率較低，所以不太適合高功率場合。本次使用的晶體管為LDMOS類型，開發(fā)公司為飛思卡爾公司，具體型號為MRF6S27015N，它的詳細參數如下：表5-1晶體管MRF6S27015N的主要參數逆F類功率放大器的仿真為完成功率放大器的設計，需要進行以下操作：（a）從NXP選擇一款合適的晶體管模型并且下載到自己的電腦中，然后將晶體管的數據導入到先進設計系統(tǒng)中進行放大器的設計。（b）閱讀下載晶體管的數據手冊資料，了解各項性能指標，并且用仿真軟件進行晶體管的直流特性分析，提取參數。（c）對晶體管進行初步電路設計，使之具有一款射頻功率放大器的雛形。（d）對電路進行單音諧波平衡仿真，獲得電路的輸出功率，功率附加效率，功率增益等性能參數，最后優(yōu)化電路完成設計要求ADDINNE.Ref.{FA9FA9C5-1DEC-4D8F-A2BC-944DB805EBDF}[17]。晶體管的直流特性分析進行晶體管的直流特性分析，是為了獲得它的漏端電壓和柵源部分的電壓，進一步獲取它的靜態(tài)工作點方便后續(xù)的設計。在設計前需要先導入晶體管，進行電路布置，仿真獲取數據。最后將晶體管的資料手冊上的參數和仿真得到的結果進行綜合考慮，得到最終結果ADDINNE.Ref.{CA873219-648D-4ABC-BC02-65BA5172D72E}[18]。即選定漏極直流偏置工作電壓為28V，柵源直流偏置工作電壓為2.8V,通過靜態(tài)工作點的曲線可得漏極靜態(tài)電流為5mA。圖5-1晶體管MRF6S27015N的直流特性分析電路圖圖5-2晶體管MRF6S27015N的直流特性參數曲線偏置網絡設計圖5-3晶體管MRF6S27015N放大器的偏置電路設計任何一款放大器都需要偏置電路為他提供動力，它的具體功能如下：（1）偏置電路上的電源是為晶體管提供驅動力，同時穩(wěn)定電壓值防止損壞電路元件。（2）在形成直流通路的同時要防止射頻信號耦合到直流源，和直流信號進入射頻電路。在設計中通常用到四分之一波長傳輸線，扼流電感和大電容。四分之一波長傳輸線相當于一個阻抗變換器，在有射頻信號時電阻變大相當于開路，有直流信號是電阻變小。扼流電感和電容在有射頻信號時相當于開路，直流信號經過時相當于短路，起到了去耦合的作用ADDINNE.Ref.{BAAD5D4F-9E4B-4D60-B36D-6012A1B91D2D}[19]。圖5-3是晶體管MRF6S27015N的偏置電路，在輸入端扼流電感和四分之一波長傳輸線串聯，兩者結合起到了很好的射頻信號去耦合作用，在輸出端擁有同樣的設計，并且在兩者之間并連了一個接地的電容，讓流經的射頻和直流信號濾除，有助于射頻信號去耦合。考慮寄生參數的諧波網絡設計在逆F類功率放大器中，晶體管存在各種本不應該存在的電容和電阻，使得本該開路的地方存在了電容，本該短路的地方存在了電阻，這些細小的差別會對電路仿真造成一定的影響，要規(guī)避這些誤差就要考慮到寄生參數的補償。設計逆F類射頻功率放大器最主要的是設計它的諧波控制網絡，調節(jié)諧波電路可以控制整個射頻電路的輸出電壓電流波形，甚至可以控制它的效率大小，由于晶體管寄生參數的存在，設計諧波電路時也要考慮寄生參數，最終目的是為了達到預期目標，設計出理想的逆F類射頻功率放大器。圖5-4有源晶體管考慮寄生參數等效電路模型圖5-5有源晶體管柵源電壓遠大于夾斷電壓等效電路模型和普通的開關型器件不一樣，有源晶體管的柵極源極和漏極之間兩兩之間存在各種電阻和電感，這些寄生參數若被忽略，在設計諧波電路時這些寄生參數會形成干擾項，設計不了想要的電路，不能獲得想要的電壓電流波形和效率。為了求出寄生參數，把有源晶體管的柵極電壓控制在遠大于夾斷電壓，這樣溝道電阻短路，跨導為零，柵源電容和柵漏電容并聯成電容Cg，此時可以建立圖5-5有源晶體管柵源電壓遠大于夾斷電壓的等效電路的模型，以此提取等寄生參數。圖5-7逆F類功放控制諧波的系統(tǒng)圖5-7為逆F類功放諧波控制電路，為實現設計需要短路奇次諧波，開路偶次諧波，獲得半正弦波電壓信號。由圖可知TL13和TL14構成了簡單的電路，它用來補償寄生參數，TL15實現了二三次諧波的相互轉換，它的前端結點實現了二次諧波短路，后端結點實現了三次諧波短路，TL19為阻抗變換器，它的波長為四分之一波長，用來隔離射頻信號和直流信號。負載牽引法進行負載牽引法的逆F類功率放大器的設計，是對功率放大器的電路設計的一部分，主要目的是提高效率和獲得理想的電流電壓波形。本次諧波阻抗匹配只對前三次進行諧波進行阻抗匹配。利用load-pull原理圖仿真，匹配得到源阻抗值，再次用得到的源阻抗值進行source-pull原理圖仿真得到最佳負載阻抗值，再次進行l(wèi)oad-pull原理圖仿真進而獲得最佳源阻抗值，重復上述操作分別進行二三次諧波的最佳阻匹配。如圖5-8所示，對晶體管進行基波負載牽引，基本參數設置如圖所示，基波負載設為10歐姆。圖5-9為逆F類功放的基波源牽引電路圖，同樣進行上述設置。由圖5-10逆F類功放的基波負載牽引數據圖可知基波匹配得到的負載阻抗值為1.995+j0.629,輸出功率為43.26dBm,PAE值為59.51%。圖5-11為逆F類功放的基波源牽引電路圖。最后得到最佳基波負載阻抗值為1.995+j0.629，最佳源阻抗值為3.690+j2.001。為了提高功率放大器的效率，在負載阻抗與源阻抗之間還需進行阻抗匹配，最終實現源阻抗值與負載阻抗值互為共軛復數。圖5-8逆F類功放的基波負載牽引圖圖5-9逆F類功放的基波源牽引圖圖5-10逆F類功放的基波負載牽引數據圖圖5-11逆F類功放的基波源牽引數據圖圖5-12逆F類功放的基波負載牽引數據圖原理圖仿真分析圖5-13為逆F類功率放大器的完整原理圖，考慮到晶體管的輸入與輸出端都含有寄生參數，因此在輸入與輸出端采用相似的微帶線結構，在原理圖中TL13、TL14起到了對晶體管補償寄生電感和電容的作用，TL18、TL19則用于調諧功率放大器的二次諧波阻抗，偏置電路更多則采用電容和RFC隔離射頻信號和直流信號。此次設計采用微帶線設計能夠較好的減小輸入輸出損耗，有助于提高輸出功率和效率。如圖5-14所示使用ADS仿真模板對逆F類功率放大器進行仿真實驗，在仿真過程中準確的設定了它的仿真時的柵漏電壓和工作頻率。圖5-13逆F類功率放大器的完整原理圖圖5-14逆F類功率放大器單音諧波平衡仿真圖5-15逆F類功率放大器功率增益隨輸出功率變化曲線圖圖5-16逆F類功率放大器功率增益和功率附加效率曲線圖由圖5-15可以看出當輸出功率為42.5dBm時功率附加效率能達到最大值即63.5%，由圖5-16可以看出當輸入功率為26.7dBm的時候，輸出功率最大值為42.5dBm，此時的功率附加效率為它的最大值達到了63.5%，。它的功率附加效率效率大于60%，滿足了設計高效率的要求?？偨Y與展望本次課題通過對功率放大器的理論分析，利用LDMOS晶體管設計了一款逆F類功率放大器，它主要工作在2.3-2.4GHz，通過對各次諧波的阻抗匹配設計，最終其功率附加效率為63.5%，功率增益為13dBm，效率在60%以上。此次設計用到了一款微波射頻軟件先進設計系統(tǒng)，這款射頻軟件在仿真電路軟件時起到了很大的作用。本次設計不僅考慮了奇偶次諧波控制電路的設計，還考慮到了直流分量和各次諧波之間的關系，簡化了設計和仿真，并且成功提高了功率放大器的效率，達到了此次設計的要求，即效率要達到60%以上，滿足了這次設計高效率的要求。在本次課題的設計過程中首先在網上找到了一款各項指標都符合要求的LDMOS晶體管，用軟件對這個晶體管進行直流分析，然后根據各項指標對晶體管設計輸入輸出電路和偏置電路，在設計電路的過程中充分考慮逆F類射頻功率放大器的要求，經過不斷的調試修改，最后進行仿真試驗。由于能力有限本次設計只考慮了功率放大器的效率方面的要求，對于功率放大器體積，帶寬和線性度方面的要求還需要進一步的改良和分析，并且功率放大器的效率還有待進一步的提高，相信在不久的將來功率放大器的各項指標將會進一步優(yōu)化，滿足人類的各項需要。參考文獻[1] 何強.2.4GHz逆F類GaNHEMT功率放大器的實現[J].南京工業(yè)職業(yè)技術學院學報,2015,15(03):5-8.[2] 孔娃，夏景，施麗娟，等.基于濾波匹配網絡的連續(xù)逆F類功率放大器[J].微電子學,2017,47(04):469-472.