基于SiC器件的高效E类功率放大器

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                1  引言

                        近年来各种通信技术迅猛发展，如何提高通信系统的效率成为重要的研究课题。射频功率放大器是通信系统中消耗功率最多的器件，尤其在无线通信基站和卫星通信等应用领域中，提高射频功放的效率可大大降低系统的消耗和节约能源，因此各种高效率功率放大器成为人们研究的热点。作为高效率功率放大器的一种，E类功率放大器的基本模型最早由NATHAN O. SOKAL和ALAN D. SOKAL于1975年在文献中提出。E类功率放大器的电路结构简单，工作原理是把晶体管作为一种开关使用，使得漏极电流和电压正交，继而漏极消耗的功率为零，因此理论上的漏极效率可以达到100％。
                         
                        早期的E类功放都是由集总参数元件所构成，但在微波频段，集总参数元件损耗较大而不再适用，于是发展出了用微带线替代集总参数元件的微带E类功率放大器，微带E类功放不但效率高，还能很好的抑制谐波能力，因此在微波频段中得到了广泛的应用。随着对E类功率放大器的理论研究不断深入，许多中分析和设计方法被提出，E类功放的电路结构得到不断创新和改进，E类功放的效率和性能也得到很大提高。此外，随着新型半导体功率器件的发展，尤其是SiC和GaN等宽禁带半导体器件的出现，E类功放的效率也得到进一步的提升。本文采用SiC MESFET作为有源器件设计一个E类功率放大器，用ADS软件对其进行了仿真分析和优化，并对实际电路板进行了测量，最后给出了仿真和实验的结果分析。
                         
                        2  E类功放原理

                        E类功率放大器的原理就是让晶体管工作在开关状态，使得晶体管漏极的电压和高流不同时出现，理论上漏极消耗的功率为0，则漏极效率可以达到100％。图1是典型的E类功率放大器原理图，其中RFC为高频扼流圈，S为等效晶体管开关，Cshunt是晶体管的寄生输出电容和附加电容的总电容，L和C组成理想串联谐振回路，jX是补偿电抗，保证晶体管的漏极电压和漏极电流正交，R为等效负载电阻。这是集中参数元件构成的E类放大器，但在射频频段，微带线更适合应用于E类功放的设计中，本文研究的功放是工作在L频段，所以其中的高频扼流圈，串联谐振回路，补偿电抗，输入和输出阻抗匹配均采用微带线实现。
                         
       

               

       

                图1  E类功率放大器原理图

                         
                        3  晶体管直流工作特性

                        SIC MESFET具有很高的反向击穿电压，结电容很小，还有很好的热传导性。基于以上这些优点，近年来，SIC MESFET在各种类型的功率放大器中得到越来越广泛的应用。由CREE公司生产的SIC 器件CRF24010 和CRF24060是第一批商用化的SIC器件，它们的工作频率可以达到2.5GHz的上限。综合考虑以上各种因素，本文选择了CREE公司生产的SIC MESFET器件CRF24060作为功放电路的有源器件。
                         
                        直流偏置电压不仅能确保功放工作在所需的工作状态，还会对功放的最佳匹配负载和效率等参数产生影响。为了找到最佳直流电压值，使功放的效率达到最大，对晶体管的直流工作特性进行了仿真，仿真结果如图2所示。
                         
       

               

       

                图2  晶体管直流工作特性

                 
                        4  输入输出匹配电路

                        输入阻抗匹配电路的设计使用ADS的Smith Chart插件在Smith圆图上直接设计匹配电路，这种方法操作起来简单方便，设计过程也很直观。先用ADS仿真软件导入CRF24060的大信号仿真模型，用S参数仿真器得到没有输入匹配阻抗时的S11参数，然后利用ADS的单短线匹配工具设计电路，生成可以将阻抗值变换会50欧姆的匹配电路，最后进行手工调节，得到输入匹配电路如图3所示。
                         
                        输出匹配电路的作用不仅是对输出阻抗进行匹配，还需对漏极的电压和电流进行相位调整，使得漏极电流和漏极电压不同时出现，使两者正交。在本文中先使用理想E类功放的经典设计公式设计出一个初步的匹配网络，然后再进行手动调整，使电路达到最佳匹配。
                         
                        根据参考文献[8][9]可知，微带E类功放在工作频率处的最佳阻抗为：
       

                      (1)

                        并联电容为
       

                       (2)

                         
                        此处f取中心频率1GHz,，由CREE公司提供的数据显示CRF24060的Cds=5pF，于是Cshunt取5pF。代入公式(3)计算可得RL＝5.8Ω，X=6.7Ω
                         
                        至此，已经算得输出阻抗匹配电路所需的元件值。接下来利用ADS的单短线匹配工具设计出阻抗为5.8＋j6.7的负载，并将之变换到50Ω，最后得到的输出匹配网络如图3所示。
                 
                 
       

               

       

                图7  漏极效率随工作电压的变化曲线

       

               

       

                图8  附加效率随工作电压的变化曲线

                         
                        6  结论和展望

                        本文设计，仿真并制作了基于SiC MESFET器件的L波段E类功率放大器，输入输出阻抗匹配电路均采用微带线实现。在工作电压设为35V，输入功率为2.5W的情况下，实际测量的输出功率可以达到32.5W，在频率为900MHz附近，漏极效率可以达到64％，增益可以达到10dBm。从以上特性可以看出，基于SiC器件的E类功放具有很好的性能，在新一代的无线通信中将会有广阔的应用前景。