宽带射频功放晶体管非线性输出电容研究

於建生,桑 磊,孙世滔,王 华

(1.海军驻合肥地区军事代表室,安徽 合肥 230009;2.合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院,安徽 合肥 230009;3.安徽华东光电技术研究所,安徽 芜湖 241002)

宽带射频功放晶体管非线性输出电容研究

於建生1,桑 磊2,孙世滔2,王 华3

(1.海军驻合肥地区军事代表室,安徽 合肥 230009;2.合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院,安徽 合肥 230009;3.安徽华东光电技术研究所,安徽 芜湖 241002)

分析了GaN(氮化镓)HEMT(高电子迁移率晶体管)非线性输出电容Cout与宽带功放效率的关系。通过建立非线性电路模型分析得出,利用Cout控制漏极端电压电流波形能减轻对谐波阻抗的精确要求,使高效率阻抗区域扩大化,从而使宽带功放匹配变为可能。选用GaN HEMT器件设计2～3 GHz频段射频功率放大器,实测结果为该放大器最高漏极效率(DE)为81.7%,功率附加效率(PAE)78.3%,功率为40.75 dBm。在1 GHz带宽内PAE也可达65%以上。实测结果验证了原理分析的可靠性,提出的方法不仅可用于宽带GaN功率放大器设计,对其他类型的微波功放设计同样有借鉴作用。

连续F类放大器;高效率;宽带;非线性电容

随着近来4G牌照的发放,4G建设对通信系统的性能要求达到了一个新的高度。无论是移动终端还是无线基站,都需要越来越高的效率和带宽以延长设备使用寿命,提高数据传输率。这也给射频功率放大器的设计带来了新的挑战,作为无线通信系统中的关键性部件,射频功放的效率和带宽指标直接决定着系统性能。

传统的开关类放大器如F逆F类[1-2]开关类放大器是默认输出端电容为线性,将谐波终端匹配到特定阻抗,如偶次谐波开路,奇次谐波短路,从而在晶体管漏极端形成特定电压电流波形,且波形之间无重叠,达到理论上100%的效率。但实际上,在射频频段只有一小部分谐波能被控制,且受到晶体管实际输出电容的影响,实际效率会大幅降低。且通常谐波特定阻抗是利用1/4波长线来进行晶体管外部匹配,结果网络的有载品质因数Q大幅提高,相应带宽变窄,一般在10%左右。传统开关类功放这种固有的窄带性能使他很难应用在宽带或多带宽收发电路中。

所谓连续F类放大器[3]就是超宽带高效率功放,它是从传统F类放大器的理论延伸而来。利用非线性输出电容的特性,它所提供的谐波阻抗具有较强的容差性,在较宽的带宽范围内都能满足高效率要求,无需讲谐波阻抗匹配到特定阻抗,这也省去了带来窄带效应的四分之一波长谐波共振电路结构。器件的输出电容与外部匹配电路一起控制所需频带内电压电流波形,从而达到高效,宽带的性能。

本文从理论和仿真重点分析了非线性输出电容Cout在连续F类放大器电路中的重要作用,制作实物验证了利用Cout设计的连续F类放大器在超宽带,高效率方面的优秀性能。

1 非线性输出电容Cout作用机理分析

由连续F类放大器的理论[4]可知,要获得理想连续F类最优效率,基波及谐波的阻抗应满足:

(1)

(2)

Z3F=∞

(3)

从晶体管漏极端电压电流波形开始分析。首先利用ADS建立具有非线性电容的大信号模型,如图1所示,且可得到计算Cout的公式[6-7]

Cout(Vds)=Cout0+A·[1+tanh(B·Vds+C)]

(4)

其中,Cout0=1.9,A=1 192.4,B=-0.059 471 4,C=-2.946 96。此模型是Cree公司输出功率为10W的氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)近似大信号模型CGH40010,以用来帮助理解连续F类功放的宽带原理,用此模型可以很方便的测得内部等效电流源端时域电压电流波形。

图1 非线性电容模型

图2为利用模型仿真得到的漏极端电压电流波形。图2(a)和图2(b)分别为从等效电流源端看到的具备非线性和线性电容的连续F类电压和电流波形,从图中可以看出,具备非线性输出电容的电压波形幅度比线性电容增大了约20 V,同时其电流波形也比线性电容产生的波形更接近方波,即非线性输出电容产生的波形更接近理论中高功率最优效率波形。

图2 漏极端电压电流波形

接下来从频域对基波到三次谐波的阻抗进行分析,图3为仿真分析结果。从图中可以看出,具备线性电容的三次谐波阻抗是开路状态,这使它在电流波形中产生最小分量。由于二次谐波的阻抗大致对应于式(2),所以具备线性电容的漏极电流波形也接近于理想连续F类电流波形。对于非线性电容产生的阻抗可以看到,三次谐波无需满足开路状态,还可看到各次谐波阻抗是在负半圆周,这都是由非线性电容产生的谐波成分引起的。这也保证了主要的三次谐波电流成分来使电流形成方波,这样就减少了波形间的重叠,减少功率耗散,提高功率。由于二次谐波电流的显著减小以及二次谐波电压的增大,与线性输出电容相比,非线性电容产生的二次谐波阻抗有较大的幅度,这种二次谐波电压的增大也使得如图2(a)所示整个漏极端电压波形幅度的增大。从图3还可以看出非线性电容减小了基波电压电流波形之间的相位差,从而减小器件内部功率损耗,提高输出功率和效率。由此可以得出大致推论:利用晶体管非线性电容与外部合适谐波阻抗结合,可以在更宽的谐波终端阻抗范围内产生更大的功率和更高的效率。

图3 基波及谐波阻抗随功率变化频域图

由此,利用ADS的谐波牵引分别对具备非线性电容和线性Cout的大信号模型进行仿真比较。在2～3 GHz的频宽范围内取4个频点分成3个频段,分别对4个频点进行谐波牵引,牵引结果如图4和图5所示。

图4 非线性电容频段谐波牵引效率图

图5 线性电容频段谐波牵引效率图

上图是在2 GHz、2.3 GHz、2.6 GHz、3 GHz时对谐波进行的负载牵引效率曲线组合图。横线阴影部分为在2～3 GHz频段内都满足效率>80%的阻抗区域,很明显,要得到高效率时,线性电容要求的谐波阻抗比非线性电容精确度高。对于非线性电容来说,约有40%以上的区域满足效率>80%,功率>40 dBm的要求,而对于线性输出电容来说,只有约5%的区域满足要求。通过比较可以看出,非线性输出电容Cout在漏极端波形控制中的重要作用:可以省去对漏极端谐波阻抗的精确要求,使设计变得更加简单可靠。

由于非线性输出电容在漏极端高功率高效率波形控制上起到了较大的作用,可以利用这个内在固有的非线性电容来建立一个近似的连续F类放大器模型,这个模型对谐波阻抗变化的敏感度很低。这一规律对设计高效率宽带功放很有提示作用。通过将谐波阻抗带限制在高效率区域内,设计的复杂度就被缩减为对基波阻抗的匹配。

2 连续F类功放设计

为验证原理与仿真分析,设计一款工作在2～3 GHz的连续F类功率放大器。基板采用Rogers 4350,介电常数3.66,板厚30 mil(1 mil=0.025 4 mm),晶体管采用Cree公司GaN HEMT CGH40010F。仿真的重点是对晶体管大信号模型进行全频段的谐波牵引,确定最优效率时二三次谐波阻抗范围,设计外部匹配电路使谐波阻抗保持在高效率区域的中心,这样就可以尽可能减小仿真精确度和实物制造误差带来的阻抗偏移对输出结果的影响。图6为放大器整体结构按比例缩放图,因为需要在宽带内对射频信号进行抑制,采用扇形微带代替接地电容。图7为仿真测得的功放输出匹配二、三次谐波阻抗点,可以看到在4～9 GHz频宽范围内,阻抗点都处于高效率区域内。图8为原理图仿真输出功率效率曲线,除了少量高频外,效率可以保持在75%以上,功率在40.8 dBm以上,平坦度±0.7 dB。

图6 整体放大器结构比例图

图7 功放仿真输出二、三次谐波阻抗圆

图8 原理图仿真效率功率曲线

图9为功放实物图,图10为实际测得的功率、效率和增益曲线。在Vgs=-3.3 V,Vds=28 V情况下,输入功率为28 dBm时,在2～3 GHz整个40%带宽内功率保持在40 dBm以上,效率保持在65%以上,增益在10～12 dB,在高效率的同时实现了高功率输出。最大PAE出现在2.1 GHz处,为78.3%,此时输出功率为40.75 dBm。

图9 连续F类功放实物图

图10 实测功放功率效率曲线

3 结束语

通过建立模型比较了非线性与线性晶体管输出电容在波形控制上的主要区别,并重点分析强调了非线性输出电容在设计高功率高效率连续F类放大器中的重要作用:可免去对谐波终端阻抗的精确要求。设计的一款2～3 GHz宽带功放验证了原理分析的可靠性。为放大器在满足4G时代高数据传输,低功率消耗方面提供了参考。

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Study of Nonlinear Output Capacitance of the Wide-band Power Amplifier

YU Jiansheng1,SANG Lei2,SUN Shitao2,WANG Hua3

(1.Military Representative Office of Navy in Hefei,Hefei 230009,China;2.School of Instrument Science and Opto-electronic Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;3.Hua Dong Academy of Opto-electronic Technology,Wuhu 241002,China)

The relationship between nonlinear output capacitanceCout of GaN HEMT and the efficiency of the wide-band power amplifier is studied.Through the analysis of an established nonlinear circuit model,it is shown that the accuracy requirement on harmonic impedance can be reduced by usingCout controlling the waveform of the drain,which can enlarge the high efficiency zone.A highly efficient amplifier based on the principle is designed by using a Cree GaN HEMT device at 2～3 GHz band.It provides a drain efficiency of 81.7% and a power-added efficiency of 78.3% at a saturated power of 40.75 dBm.The method established in this paper can not only be used in wide-band microwave GaN PA,but it is also useful to other PA designs.

continuous class F power amplifier;high efficiency;wide-band;nonlinear output capacitance

2014- 08- 18

桑磊(1983—),男,博士,副研究员。研究方向:微波电路与天线。E-mail:sunlixuxinyu@126.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.028

TN722

A

1007-7820(2015)04-102-04