基于动态负载线GaN HEMT模型的谐波调谐功放设计.pdf

【学术论文】基于动态负载线GaN HEMT模型 的谐波调谐功放设计 2020-03-31 17 36 58 摘 要 ： 基于动态负载线GaN HEMT大信号模型和负载牵引技术设计并制作了一款工作在2 GHz的高效率谐波调谐功放。在晶 体管寄生参数和封装参数未知的情况下，通过负载牵引技术初步确定满足性能要求的最佳基波和谐波阻抗值，并根据 动态负载线大信号模型所观察到的漏极电流、电压波形对功放整体电路进行调谐和优化。测试结果表明,当输入功率为 27 dBm时，该功放漏极效率可达81.53% ，功率附加效率为76% ，输出功率为38.69 dBm ，增益为11.69 dB。采用该 方法所设计的高效率谐波调谐功放在满足较高性能的同时,具有结构简单、调谐方便的优点。 中文引用格式：黄发良，游彬. 基于动态负载线GaN HEMT模型的谐波调谐功放设计[J].电子技术应用，2020 ， 46(2) ：48-52. 英文引用格式：Huang Faliang ，You Bin. Design of harmonic tuned power amplifier based on dy namic load-line GaN HEMT model[J]. Application of Electronic Technique ，2020 ，46(2) ： 48-52. 0 引言 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 [1] 。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 [2] 。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著的作用 [3] 。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 [4] 、F类/逆F类 [5-6] 、E类 [7] 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 [6 ，8] 。然而，当使用如图1所示已经封装好的晶体管 [9] 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 [10] 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。 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： 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 [12] 。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A DS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 [3] ，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