高效率高諧波抑制功率放大器的設計

　　0 引言

　　隨著無線通信的快速發展和廣泛普及，無線系統標準對收發機的性能要求越來越高。功率放大器作為發射機的主要組成部分，其指標決定著發射機的性能，如效率 決定著整機功耗，線性度決定著整機的動態范圍，諧波分量大小又是發射機線性度的度量。傳統的功率放大器為了獲得較高效率，功放管通常會工作于飽和狀態，這 時將有大量的諧波分量產生。如果不對諧波分量加以回收和抑制，這不單會造成能量的浪費，降低了其效率，還會對其他信道的信號造成干擾。

　　通常功率放大器為了獲得較高的效率和較低的諧波分量都使得功率放大器工作于F類，但該結構需要采用λ/4傳輸線，占用空間面大，不利于小型化。采用了 低通輸出匹配網絡設計了一個工作于E類的功率放大器，在11 dBm輸入時的2～5階諧波分量分別為：-19 dBc、-30 dBc、-38.5 dBc、-41.7 dBc。但該結構采用E類放大器，它要求功放管具有較高的集電極擊穿電壓，這與集成電路發展趨勢相違背。采用GaN工藝設計的功率放大器，為了 獲得較好的諧波性能，該設計在輸出匹配網絡中引入了兩根開路傳輸線，但開路傳輸線的使用使得該方法與現代電路向小型化、集成度高方向發展相違背。

　　本文提出了一種結構簡單、利于集成且具有諧波抑制功能的輸出匹配網絡，利用該方法采用InGaP/GaAs HBT工藝設計了一個工作于2 GHz頻率的功率放大器。測試結果表明，利用該方法設計的功率放大器獲得了較高的效率和很好的諧波性能。

　　1 電路設計

　　一個典型的功率放大器通常由輸入匹配網絡、放大電路、直流偏置電路和輸出匹配網絡組成。然而對功率放大器性能起決定性作用的還是匹配網絡。它作為 功率放大器的重要組成部分，任何一個不合適的匹配網絡都可能會引起電路的不穩定，導致功率放大器輸出功率小、效率低，惡化其線性度。設計匹配網絡時，在滿 足基本的阻抗變換的同時，還要兼顧到其諧波阻抗，插入損耗以及網絡的帶寬，最后還需要考慮所設計的網絡是否易于實現以及小型化。

　　1.1 具有諧波抑制功能的輸出匹配網絡

　　輸出匹配網絡作為匹配網絡中最重要的部分，決定著功率放大器的功率和效率，以及最終功率放大器的諧波性能。文獻[6-7]詳細說明了輸出匹配網絡二次諧 波阻抗對其效率的影響，但都忽略了高次諧波的影響。本文設計的輸出匹配網絡在考慮二次諧波阻抗的同時，還兼顧了高次諧波阻抗，其結構如圖1所示。

　　其中C1起隔直作用，L1、C3和L5、C2構成一個二級低通網絡，在基頻時主要起阻抗變換作用，在高階奇次諧波處呈現出高阻抗，C4和L4構成一個串 聯LC諧振網絡，諧振頻率為2ω0，其中ω0為基頻，使得輸出網絡在二次諧波處得到一個短路的負載。該結構類似于F類功率放大器[8]，對奇次諧波負載呈 現高阻抗，對偶次諧波負載呈現低阻抗，有利于對功放管的輸出電壓電流波形進行整形，減小兩者之間的重合提高了效率[9]。同時為了對高次諧波能量進行回收 和抑制，在該兩級LC低通匹配中加入了兩個電感L3和L2，它和C3、C2構成一個串聯諧振網絡，諧振頻率分別為3ω0和5ω0，即分別對3次諧波和5次 諧波進行處理。輸出匹配結構的分析如下：對于功放管的負載，它的值大小與輸出功率的關系為：

　　為了獲得較好的網絡帶寬，兩級LC低通匹配網絡中間級的阻抗為：