高效率F类射频功率放大器的研究与设计
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To output Matching circuit
L1 C2 L1 Rout Cout
To output Matching circuit
Cout
L1 =
1 5 12 , L2 = L1 ,C2 = Cout 2 6ω0 Cout 3 5
L1 =
4 9 15 , L2 = L Cout 1 ,C 2= 2 9ω0 Cout 15 16
1120
图 2b 中给出了另外两个可能的并联谐振器电 路和连接谐振器电路构造元件的初始值。另外还给 了一个等效的微带阻抗-峰化电路和他的初始原理 值。能提供对于所有的偶次谐波短路和对3次谐波 开路。然而，实际的F类PA的设计要复杂的多，因 为有寄生电抗，非线性漏级电流Ids和非线性的Cgs， Cds图3 中给的方程可以提供一个很好的F类放大器 设计的出发点。
1 引言
射频功率放大器广泛应用于各种无线通信发 射设备中， 随着移动通讯服务的快速增长， 对低耗、 高效、体积小的要求也迅速增加。众所周知， RF 功放（PA）是射频传输中功率损耗最大的众多设计 模块之一。 当前发展的第三代通信推动了对功放的更新， PA作为通信基站的核心部分， 它的效率直接影响了 整个基站的效率，因此研究解决功率放大器的效率 问题成为当前研究的的热点。F类放大器理论效率 可以达到100%，所以F类功率放大器具有很好的研 究前景。
（2a） 3 次谐波输出网络
Cbypess
Cbypess
cos(n π ) = 0 ， n 为奇数时，奇阶导数等于0必须定 2
C2
L2
3 理论分析和设计方法
理想F类功放表现为包含无限的协波，但是在 设计中是不切实际的。例如：漏级源电容Cds 将产 生大量的高次谐波在微波频率短路。同样，漏级输 出的寄生电容和电感使得几乎不可能生成偶次谐 波短路和奇次谐波开路。通常，许多谐波进入输出 网路需要实现在每个谐波频率的阻抗，这将产生一 个很复杂的电路和更多的输出损耗，因此会使效率 降低。由此，在很多设计中只考虑少量的谐波，如 2， 3次谐波。 他们对输出能量和效率有很大的作用。 Raab 研究了输出功率性能和效率在有限谐波 情况下的效果。这有助于设计师在设计时综合考虑 输出网路的复杂程度和效率。表1 给出了不同谐波 的最大效率，如我们看到的那样，A类功放的最大 效率为50%，当只有基波频率时电流和电压m、n均 为1，最大效率从50%向上增加到70.7，81.7，86.6， 90.5依次为 2，3，4，5次谐波。 mn 表示漏极电流和电压的最大谐波次数
Z n = 0 , n为偶数 Z n = ∞ , n为奇数
实现F类放大器的工作电压和电流波形信号， 可使用奇次谐波来近似方波，偶次谐波来近似半正
1119
弦电流波形，表达式如下：
的负载，RL是最佳的漏级负载。
v(θ ) = Vd + V1 sin θ + i (θ ) = I 0 − I1 sin θ −
图3
测试电路实物及测试架图
Tech., vol. 49, pp. 11162-1166, June 2001. [4] Schmelzer, David, and Long, Stephen I.. "A GaN HEMT Class F Amplifier at 2GHz with > 80% PAE[J]." IEEE (2006). [5] F. H. Raab, “Class-F power amplifiers with maximally flat waveforms[J],” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 45, pp. 2007–2012, Nov.1997. [6] Gao, S.. "High-Efficiency Class F RF/Microwave Power Amplifiers[J]." IEEE Microwave Magazine(2006).
表1. F类功率放大器的最大效率
n =1 M=1 M=2 M=4 m= 50% 70.7% 75% 78.5% n =3 57.7% 81.7% 86.6% 90.7% n =5 60.3% 85.3% 90.5% 94.8% n =∞ 63.7% 90.0% 95.5% 100%
Rout
L2 L1
Cbypess
θ1
θ2 Z0 Rout
Cout
θ3
To output Matching circuit
1 π θ1 = ,θ2 = tan−1( 2 3
（2b）
1 π ),θ3 = 3Z0ω0Cout 6
图2
谐波输出网络
∞
在只考虑2次和3次谐波的情况下，（3次谐波 峰化），最大效率可以达到81.7%，包含3次谐波峰 化输出网络电路如图2a所示，在3f0用并联的谐振器 加在漏极输出，提供2f0 短路和3f0开路，另外一个 并联谐振器与负载阻抗并联， 用来保证在f0 有最佳
参考文献
[1] 格列别尼科夫，射频与微波功率放大器设计[M]。北京: 电子工业出版社. 2006. [2] F. Raab et al.,“Power Aplifiers and Transmitters for RF and Microwave[J], ” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 50, no. 3, pp. 813, March 2002. [3] F. H. Raab,“Maxium Efficiency and Output of Class-F Power Amplifiers[J],”IEEE Trans. Microwave Theory
Vd
输入匹配网络
S
输出匹配网络
50欧
图1
功率放大器基本结构
2 理想F类放大器原理研究
图1给出了功率放大器的基本结构，包含一个 晶体管，直流源，输出匹配网络，输入匹配网络。 直流偏置作为直流源，晶体管可以是 FET 或者是 BJT，本文以FET为例来说明。晶体管漏极通过RF 扼流圈接直流偏置电压Vd，通过输出网络匹配到50 Ohms最佳负载。
Research and Design of Class F RF Power Amplifier with High Efficiency Performance
Ni Chun1 ，Wu Xianliang2
（School of Electronic Science and Technology, Anhui University, Hefei 230039, China） Abstract：Class F RF power amplifier is a new high efficiency amplifier,of which the theoretical efficiency can achieve 100%, has broad prospect in the mobile communication field. This paper introduced Class F power amplifier's circuit structure, the principle of work and provided the efficiency analysis.The circuit is designed and tested at the L band，It is confirmed that the experimental results were found to be in good agreement with simulated results。 Keywords: Class F power amplifier，high efficiency，L-band
n n = 3, 5 , 7...
∑V sin nθ
cos nθ
∞
Vd C3 Input
dc Dlock
n n = 2 , 4 , 6...
∑I
∞
其中， θ = ω0t , ω0 = 2πf 0 , f 0是基波频率
L3 S
C0
L0
RL
电压波形达到最大值和最小值的中间点的位 3 π 。最小电压时的最大平 置分别在 θ = π 和 2 θ= 2 坦 度 要 求 在 θ = 3π 偶 阶 导 数 为 0 。 由 于 2 义上式给出的电压波形的偶阶导数。
高效率F类射频功率放大器的研究与设计
倪春 1
摘
吴先良 2
（安徽大学 电子科学与技术学院，安徽 合肥 230039） 要： F 类射频功率放大器是一种新型高效率的放大器， 理论效率可以达到 100%， 在移动通信领域有着广阔的发展前景。 通过介绍 F 类功率放大器的电路结构、工作原理，并对效率进行了分析。最后在 L 波段对电路进行了设计和试验，实测结 果和仿真结果基本吻合, 验证了研究结果的一致性。 关键词：F 类功率放大器, 高效率，L 波段
4 设计实例
本文在设计F类放大器时，对输出谐波调谐， 当输入网络在栅极输入提供共轭匹配时输出网络 提供了偶次谐波短路和奇次谐波开路，输出匹配网
络使在漏级输出端获得基波的最佳负载。 图2b中的等效的微带阻抗—峰化电路，三段电 长度中只有第二段需要根据晶体管的寄生参数来 额外修正，其余都可根据基板参数和频率计算出实 际微带线的尺寸。 设 计 采 用 Cree 公 司 的 GaN HEMT ， 基 频 1.25GHz，带宽为100MHz，输入功率28dBm, 基板 材料Er=3.38，板厚0.4mm，输入网络是同频率B类 工作模式下设计的，栅极电压VGS =-2.5V，漏极电 压VDS=28V。ADS仿真结果最大PAE为84%，实现 电路及测试架如图3所示。
80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Pin
Pout PAE%
图4
相对输入功率的输出功率和 PAE
1121
初步试验测量结果最大功率附加效率65.5%， 通过进一步调节电路以及输入输出端电容得到PAE 为70.32%。略低于仿真结果，但已经获得了较高的 效率，效率偏低的原因有很多种，测量器件的改进 以及对电路的再次调整可能会进一步有效的提高 电路的效率。 本设计最终在中心频率1.25GHz实际测量所得 结果如图4所示。与目前国内外高效率放大器相比， 在保证输出功率的基础上实现了较高的效率，在F 类放大器实现电路上取得了较好的成功。
6 结束语
本文对F类功率放大器的理论进行了研究，分 析了其电路工作原理和试验设计方法。并通过一种 新型F类放大器的设计和试验证实了实现高效率， 高功率工作的可能。实际测试中在没有进行调节的 情况下已经达到65.5%的功率附加效率，由于在调 节的过程中影响效率的因素没有准确的依据，故而 调节过程难度较大，最终实现了PAE大于70%，输 出功率达到10W。
F类放大器通过在输出匹配网络用谐波振荡电 路，从而在漏极负载出现对偶次谐波短路和奇次谐 波开路来实现效率和输出功率的共同推进。漏极电 压由奇次谐波构成，接近方形波形。而漏极ຫໍສະໝຸດ Baidu流包 含基波和偶次谐波，近似一个半正弦波。因为在漏 极电压和电流之间没有交叠，理想效率可以达到 100%。 器件漏极100%理想漏极效率的阻抗条件是：
L1 C2 L1 Rout Cout
To output Matching circuit
Cout
L1 =
1 5 12 , L2 = L1 ,C2 = Cout 2 6ω0 Cout 3 5
L1 =
4 9 15 , L2 = L Cout 1 ,C 2= 2 9ω0 Cout 15 16
1120
图 2b 中给出了另外两个可能的并联谐振器电 路和连接谐振器电路构造元件的初始值。另外还给 了一个等效的微带阻抗-峰化电路和他的初始原理 值。能提供对于所有的偶次谐波短路和对3次谐波 开路。然而，实际的F类PA的设计要复杂的多，因 为有寄生电抗，非线性漏级电流Ids和非线性的Cgs， Cds图3 中给的方程可以提供一个很好的F类放大器 设计的出发点。
1 引言
射频功率放大器广泛应用于各种无线通信发 射设备中， 随着移动通讯服务的快速增长， 对低耗、 高效、体积小的要求也迅速增加。众所周知， RF 功放（PA）是射频传输中功率损耗最大的众多设计 模块之一。 当前发展的第三代通信推动了对功放的更新， PA作为通信基站的核心部分， 它的效率直接影响了 整个基站的效率，因此研究解决功率放大器的效率 问题成为当前研究的的热点。F类放大器理论效率 可以达到100%，所以F类功率放大器具有很好的研 究前景。
（2a） 3 次谐波输出网络
Cbypess
Cbypess
cos(n π ) = 0 ， n 为奇数时，奇阶导数等于0必须定 2
C2
L2
3 理论分析和设计方法
理想F类功放表现为包含无限的协波，但是在 设计中是不切实际的。例如：漏级源电容Cds 将产 生大量的高次谐波在微波频率短路。同样，漏级输 出的寄生电容和电感使得几乎不可能生成偶次谐 波短路和奇次谐波开路。通常，许多谐波进入输出 网路需要实现在每个谐波频率的阻抗，这将产生一 个很复杂的电路和更多的输出损耗，因此会使效率 降低。由此，在很多设计中只考虑少量的谐波，如 2， 3次谐波。 他们对输出能量和效率有很大的作用。 Raab 研究了输出功率性能和效率在有限谐波 情况下的效果。这有助于设计师在设计时综合考虑 输出网路的复杂程度和效率。表1 给出了不同谐波 的最大效率，如我们看到的那样，A类功放的最大 效率为50%，当只有基波频率时电流和电压m、n均 为1，最大效率从50%向上增加到70.7，81.7，86.6， 90.5依次为 2，3，4，5次谐波。 mn 表示漏极电流和电压的最大谐波次数
Z n = 0 , n为偶数 Z n = ∞ , n为奇数
实现F类放大器的工作电压和电流波形信号， 可使用奇次谐波来近似方波，偶次谐波来近似半正
1119
弦电流波形，表达式如下：
的负载，RL是最佳的漏级负载。
v(θ ) = Vd + V1 sin θ + i (θ ) = I 0 − I1 sin θ −
图3
测试电路实物及测试架图
Tech., vol. 49, pp. 11162-1166, June 2001. [4] Schmelzer, David, and Long, Stephen I.. "A GaN HEMT Class F Amplifier at 2GHz with > 80% PAE[J]." IEEE (2006). [5] F. H. Raab, “Class-F power amplifiers with maximally flat waveforms[J],” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 45, pp. 2007–2012, Nov.1997. [6] Gao, S.. "High-Efficiency Class F RF/Microwave Power Amplifiers[J]." IEEE Microwave Magazine(2006).
表1. F类功率放大器的最大效率
n =1 M=1 M=2 M=4 m= 50% 70.7% 75% 78.5% n =3 57.7% 81.7% 86.6% 90.7% n =5 60.3% 85.3% 90.5% 94.8% n =∞ 63.7% 90.0% 95.5% 100%
Rout
L2 L1
Cbypess
θ1
θ2 Z0 Rout
Cout
θ3
To output Matching circuit
1 π θ1 = ,θ2 = tan−1( 2 3
（2b）
1 π ),θ3 = 3Z0ω0Cout 6
图2
谐波输出网络
∞
在只考虑2次和3次谐波的情况下，（3次谐波 峰化），最大效率可以达到81.7%，包含3次谐波峰 化输出网络电路如图2a所示，在3f0用并联的谐振器 加在漏极输出，提供2f0 短路和3f0开路，另外一个 并联谐振器与负载阻抗并联， 用来保证在f0 有最佳
参考文献
[1] 格列别尼科夫，射频与微波功率放大器设计[M]。北京: 电子工业出版社. 2006. [2] F. Raab et al.,“Power Aplifiers and Transmitters for RF and Microwave[J], ” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 50, no. 3, pp. 813, March 2002. [3] F. H. Raab,“Maxium Efficiency and Output of Class-F Power Amplifiers[J],”IEEE Trans. Microwave Theory
Vd
输入匹配网络
S
输出匹配网络
50欧
图1
功率放大器基本结构
2 理想F类放大器原理研究
图1给出了功率放大器的基本结构，包含一个 晶体管，直流源，输出匹配网络，输入匹配网络。 直流偏置作为直流源，晶体管可以是 FET 或者是 BJT，本文以FET为例来说明。晶体管漏极通过RF 扼流圈接直流偏置电压Vd，通过输出网络匹配到50 Ohms最佳负载。
Research and Design of Class F RF Power Amplifier with High Efficiency Performance
Ni Chun1 ，Wu Xianliang2
（School of Electronic Science and Technology, Anhui University, Hefei 230039, China） Abstract：Class F RF power amplifier is a new high efficiency amplifier,of which the theoretical efficiency can achieve 100%, has broad prospect in the mobile communication field. This paper introduced Class F power amplifier's circuit structure, the principle of work and provided the efficiency analysis.The circuit is designed and tested at the L band，It is confirmed that the experimental results were found to be in good agreement with simulated results。 Keywords: Class F power amplifier，high efficiency，L-band
n n = 3, 5 , 7...
∑V sin nθ
cos nθ
∞
Vd C3 Input
dc Dlock
n n = 2 , 4 , 6...
∑I
∞
其中， θ = ω0t , ω0 = 2πf 0 , f 0是基波频率
L3 S
C0
L0
RL
电压波形达到最大值和最小值的中间点的位 3 π 。最小电压时的最大平 置分别在 θ = π 和 2 θ= 2 坦 度 要 求 在 θ = 3π 偶 阶 导 数 为 0 。 由 于 2 义上式给出的电压波形的偶阶导数。
高效率F类射频功率放大器的研究与设计
倪春 1
摘
吴先良 2
（安徽大学 电子科学与技术学院，安徽 合肥 230039） 要： F 类射频功率放大器是一种新型高效率的放大器， 理论效率可以达到 100%， 在移动通信领域有着广阔的发展前景。 通过介绍 F 类功率放大器的电路结构、工作原理，并对效率进行了分析。最后在 L 波段对电路进行了设计和试验，实测结 果和仿真结果基本吻合, 验证了研究结果的一致性。 关键词：F 类功率放大器, 高效率，L 波段
4 设计实例
本文在设计F类放大器时，对输出谐波调谐， 当输入网络在栅极输入提供共轭匹配时输出网络 提供了偶次谐波短路和奇次谐波开路，输出匹配网
络使在漏级输出端获得基波的最佳负载。 图2b中的等效的微带阻抗—峰化电路，三段电 长度中只有第二段需要根据晶体管的寄生参数来 额外修正，其余都可根据基板参数和频率计算出实 际微带线的尺寸。 设 计 采 用 Cree 公 司 的 GaN HEMT ， 基 频 1.25GHz，带宽为100MHz，输入功率28dBm, 基板 材料Er=3.38，板厚0.4mm，输入网络是同频率B类 工作模式下设计的，栅极电压VGS =-2.5V，漏极电 压VDS=28V。ADS仿真结果最大PAE为84%，实现 电路及测试架如图3所示。
80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Pin
Pout PAE%
图4
相对输入功率的输出功率和 PAE
1121
初步试验测量结果最大功率附加效率65.5%， 通过进一步调节电路以及输入输出端电容得到PAE 为70.32%。略低于仿真结果，但已经获得了较高的 效率，效率偏低的原因有很多种，测量器件的改进 以及对电路的再次调整可能会进一步有效的提高 电路的效率。 本设计最终在中心频率1.25GHz实际测量所得 结果如图4所示。与目前国内外高效率放大器相比， 在保证输出功率的基础上实现了较高的效率，在F 类放大器实现电路上取得了较好的成功。
6 结束语
本文对F类功率放大器的理论进行了研究，分 析了其电路工作原理和试验设计方法。并通过一种 新型F类放大器的设计和试验证实了实现高效率， 高功率工作的可能。实际测试中在没有进行调节的 情况下已经达到65.5%的功率附加效率，由于在调 节的过程中影响效率的因素没有准确的依据，故而 调节过程难度较大，最终实现了PAE大于70%，输 出功率达到10W。
F类放大器通过在输出匹配网络用谐波振荡电 路，从而在漏极负载出现对偶次谐波短路和奇次谐 波开路来实现效率和输出功率的共同推进。漏极电 压由奇次谐波构成，接近方形波形。而漏极ຫໍສະໝຸດ Baidu流包 含基波和偶次谐波，近似一个半正弦波。因为在漏 极电压和电流之间没有交叠，理想效率可以达到 100%。 器件漏极100%理想漏极效率的阻抗条件是：