一种宽带PhEMT高效率E类射频放大器的研制 孙菁

一种宽带PhEMT高效率E类射频放大器的研制孙菁
摘要：研制了一种120~180MHz宽带PhEMT高效率E类射频放大器。

采用pHEMT (Avago Technologies ATF-50189)设计而成，在120~180MHz范围内,具有高
达超过85%的仿真效率和超过79%的实验效率、1dB and 0.7dB的仿真和实验的功
率平缓度，以及恒定的输出功率。

关键词：宽带；PhEMT；高效率；E类射频放大器
中图分类号: TN722.3 文献标识码: A
1 引言
射频功率放大器在无线通信系统中起到至关重要的作用，射频功率放大器性
能在很大程度上决定了整个射频系统的性能。

为了达到无线通信系统高增益、高
效率的需求，本文采用Avago Technologies 公司性的pHEMT工艺超高电子迁移率
晶体管ATF-50189，设计出一种新型的E类放大器负载网络，利用ADS软件进行
设计、仿真与优化，再通过PCB制作、实测，实现了120~180MHz范围内的宽带
高增益、高效率的线性放大，及对二次谐波的高抑制。

2 负载网络模型的设计
输入电压、负载网络和负载阻抗共同决定放大电路的输出功率。

对于宽带放
大器来说，阻抗匹配网络对负载角和传输系数的影响重大。

该电路由偏置电感Ls、开关电路、电容Cs、T网络（L1, C1, L2, C2）及负载组成。

为了确定各元件值，重点推导各元件值对于负阻抗实部与部的关系。

对负阻
抗影响微小的元素直接视为常量。

通过ADS仿真计算，得出使Q值趋近于1的一组四元件值（C1, L1, C2, L2）。

120MHz ~180MHz范围内，负载特性实部与虚部的
导纳几近线性。

为得到理想的宽带负载网络为得到理想的宽带负载网络，创建系
统的网络数学模型，并推导出负载角ang1和ang2，ang1为网络总负载角，ang2
为无视旁路电容后的网络负载角。

3 仿真结果
使用pHEMT (ATF-50189)开关管的E类放大器仿真结果如下：
元件参数:
DC电源：5V;
负载：50Ω;
旁路电容 Cs=30pF; 旁路电感Ls= 33nH;
串联L1C1电路: L1=61.92nH; C1=24.66pF;
L2=40.15nH; C2=30.61pF;
pHEMT偏置电压：0.4V；
输入信号: 正弦0.7V。

从而得到如图1类放大电路。

图1 pHEMT (ATF-50189)开关管的E类放大器ADS仿真图
新型负载网络的效率从120MHz的73%上升至140MHz的79%。

在140MHz ~180MHz范
围内，保持并超过了80%。

随着频率上升，输出效率从1.25W 降至 0.7W。

总体数据结果接
近理想模型，输出功率比理想略低，但完全满足设计要求。

4 实验结果
图2 效率随频率变化关系（实测）
通过电路实测发现，放大器整体效率大于72%，在 120MHz ~150MHz范围内效率从72%上升至83%,在较在频带150MHz~180MHz范围内降至75%，如图2所示。

输出功率保持在27.5dBm 以上，在150MHz 达到峰值27.5dBm。

输出波动1dB。

仿真与实测结果表明，来自滤波电路的二次谐波在低频网络中造成不小的扰乱，在新型网络的帮助下，二次谐波的衰减从120MHz的13dB有效升至180MHz的28dB。

5 结论
宽带E类放大器的设计要求在一个宽带范围内具有平坦的频率响应和高效率以直接提升发射机系统的性能。

为实现这一要求，本文研制了一种新型宽带E类宽带网络放大电路。

通过匹配网络和多级LC电路的设计，优化了整个宽带以内的E类放大网络并确保了Q值小于1.5。

此方法得了比以往研究中更高的效率值和效果极佳的二次谐波衰减，同时保证了输出功率的持续稳定。

优化后的E类放大器的整体性能得以提高，从而有效帮助发射机系统大幅提升工作效率。

参考文献
[1] N.O.Soka1 and A.D.Soka1, "Class E-A New Class of High-Efficiency Tuned Single-Ended Switching Power Amplifier", IEEE J. Solid-state Circuits, SC-10, pp168-176, June 1975.。