摘 要： 開關模式E類功率放大器的理論效率可達100%，可用于天氣雷達發射機系統中。采用GaN HEMT器件，設計了一個在2.8 GHz頻點下的E類功率放大器，輸出功率達到40 dBm，PAE為67%，增益為13 dB。此外，設計的微帶負載網絡對諧波進行了有效抑制。
射頻功率放大器在雷達、通信、衛星導航等系統中都有著廣泛的應用。現代雷達系統出于小型化和集成化考慮，要求盡量減少直流功耗、提高系統性能，提高射頻功率放大器的效率將有效降低電源消耗和散熱需求，直接改善發射機系統的性能。
由SOKAL N O提出的E類功率放大器不僅電路結構簡單，而且理論上具有高達100%的漏極效率[1]。但早期的功率放大器設計受到半導體材料及工藝限制，高效率設計方面存在較大缺陷，新材料新工藝器件的出現有效地克服了這些缺陷。采用新型半導體器件，結合微帶線設計E類功率放大器具有效率和諧波抑制度高的優點[2]，可以得到良好的設計結果。
本文針對S波段天氣雷達發射機中速調管的固態激勵，采用新型半導體器件，設計了一個2.8 GHz頻點下，具有10 W輸出的微帶線E類功率放大器電路，給出了微帶負載網絡的設計理論、設計過程以及仿真結果與測試分析。
1 工作原理
常用的E類功率放大器電路輸出負載回路是由并聯電容、串聯電感、LC諧振回路和負載阻抗組成。在理想的情況下，功率管截止時，漏極電壓在漏極電流等于零以后才開始上升；而功率管導通時，漏極電流在漏極電壓為零以后才開始出現。功率管從導通至截止或從截止至導通的開關期間，漏極電壓和電流不會同時出現。這樣，漏極上無功率損耗，理想效率為100%[3]。
電源通過RF扼流圈饋電到MOS管漏極，此RF扼流圈對基波頻率具有高電抗，可以認為只允許直流電流通過；并聯電容包含了功率管內部的輸出電容和加在負載網絡的外部電容兩部分。
對于圖1所示的拓撲結構，其元件參數的理論值可由以下公式確定[3]：
其中，QL為電路品質因數，為工作頻率，VDD為漏端電壓，RL為滿足功放設計需要的最佳負載電阻。
2 功放電路設計
由于E類功放對功率晶體管在開關速度、功率容量和漏極擊穿電壓等方面要求較高，在大功率和高頻率場合常采用GaN HEMT器件[4]，故本文選用Cree公司的CGH40010F，根據E類功放的設計原理與方法，在ADS環境下進行仿真設計。
仿真設計過程主要步驟為：靜態工作點的確定，結構電路設計（阻抗匹配、偏執電路等），電路參數的仿真與優化[5]。根據設計步驟，首先對功放管進行了直流特性仿真，通過仿真結果，選取VGS=-3 V，VDS=26 V。然后對功放管進行負載牽引和源牽引仿真，尋找最佳負載阻抗和源阻抗進行匹配。結合理論公式求得各元件理論值，得到集總參數匹配結構。根據微波理論，并聯電容可用開路短截線實現，串聯電感可用串接微帶線，這樣就設計出了微帶線匹配網絡。
為了提高效率，E類功放電路的輸出匹配拓撲結構可參考F類功放工作模式，實現電壓逼近方波，電流近似為半正弦波的條件。這種模式的匹配結構可對諧波進行負載阻抗抑制，提高漏極效率[6]。E類模式的開關電壓波形較好，只需對低次諧波進行抑制即可[2]，本設計針對二、三次諧波進行了抑制。諧波抑制主要由1/4波長微帶線完成，開路線的電長度分別選擇為頻率2fc、3fc的1/4波長，這樣，開路線在相應的諧波點呈現為低阻抗，起到抑制二、三次諧波的效果，同時也成為了阻抗匹配網絡的組成部分。
整體結構如圖2所示，這種結構優點明顯，不僅實現了電路的阻抗匹配，又抑制了諧波分量，同時保證了E類放大器的最佳工作模式。
3 仿真與測試分析
將整體電路結構在ADS平臺下進行仿真，掃描功放管漏極電壓、電流的時域波形，結果如圖3所示。漏極電壓與電流波形相互交錯，避免了峰值電壓與峰值電流的同時出現，這說明功放管上消耗的功率較少，放大器工作在較理想的高效狀態下，仿真結果滿足開關E類功率放大器的工作特點。
對整體網絡進行S參數優化，并手動調諧1/4波長偏置微帶線的長度，以獲得更好的電路性能。最終仿真結果顯示，在輸入功率為27 dBm時，功放的輸出功率約為40.2 dBm，增益約為13.2 dB，已滿足預期10 W的設計指標（如圖4所示）。而此時漏極效率高達76.9%，功率附加效率（PAE）約為73%（如圖5所示）。對電路進行諧波平衡掃描，得到二、三次諧波在各功率點輸入時，抑制皆在60 dBc以上。
根據仿真確定的微帶電路，生成相應的版圖，并進行版圖優化，最終制作電路板。本設計電路板采用ROGERS4350板材，板厚30 mil，實際介電常數為3.48，仿真使用介電常數3.66。經實物測試，在輸入功率為27 dBm時，功放輸出基本達到10 W，漏極效率約為71%，附加效率約為67%，二、三次諧波抑制在48 dBc以上。與仿真結果相比，實際輸出功率略微偏小，效率和諧波抑制都偏低一些。但考慮到電路寄生參數、加工精度以及測試設備損耗等影響，實測值偏差在正常范圍內，與仿真值有很好的一致性，整體效果良好。
本文針對S波段天氣雷達中固態功率放大器效率較低的問題，引入開關模式E類功率放大器替代傳統功率放大器，并結合新型GaN器件，成功研制了在2.8 GHz頻點下的高效E類功率放大器。結果表明，該放大器輸出功率能夠滿足實際需要，且附加效率達到67%，明顯優于傳統類型放大器，對天氣雷達發射機系統的發展具有積極的作用。
參考文獻
[1] SOKAL N O， SOKAL A D．Class E a new class of high efficiency tuned singl-ended switching power amplifiers[J]．IEEE J. Solid-State Circuits．1975，10（3）： 168-176.
[2] Andrei Grebennikov．射頻與微波功率放大器設計[M]．張玉興，趙宏飛，譯．北京：電子工業出版社，2006.
[3] RAAB F H. Idealized operation of the Class E tuned power amplifier[J]． IEEE Transactions on Circuits and Systems．1977，24（12）：725-735.
[4] 游飛．E類功率放大器研究[D].成都：電子科技大學，2009.
[5] 南敬昌，劉元全，高澤華．基于ADS軟件的射頻功率放大器仿真實現[J]．電子技術應用，2007，33（9）：110-112.
[6] 安士全，曹銳．一種寬禁帶器件的高效E類功率放大器設計[J]．中國電子科學研究院學報，2012（4）：212-215.