基于SiC器件的高效E类功率放大器

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3 完整的ADS仿真电路图

5 仿真及实验结果

采用谐波平衡法对电路进行仿真分析。首先要验证功率放大器是否工作在E类状态，这可以从晶体管漏极电流和电压是否正交来确定。图4是仿真得到的漏极电压和电流的曲线，晶体管的漏极电流和电压的峰值不同时出现，符合E类功放的工作条件。两个波形的正交性并不理想，这主要是因为输出阻抗匹配网络所带来的偏差。[!--empirenews.page--]

图4功放漏极电流和漏极电压的曲线

依据仿真电路图，采用介电常数为2.65高频板材的制作实际电路版图，如图5所示。实验中采用了RFHIC公司生产的RFC1G18H4-24芯片作为前极驱动放大器，使待测功率放大器的输入功率可以达到34dBm，测量中所用的衰减器的大小为32.5dBm。本文使用Maxim公司生产的MAX868芯片，给电路提供所需的负偏置直流电压，经过仿真分析和调试优化，选择-9V电压作为电路的负偏置电压。

将功放的工作频率设为1GHz，在恒定输入功率为2.5W的情况下，改变功放的工作电压，研究功放的输出功率，漏极效率和附加效率相应的变化，得到的仿真结果和实验结果分别如图6，图7和图8所示。仿真结果和实验结果基本上是保持一致的，实验得出的数据要稍微低于仿真得出的数据，这是由于高频板材的不理想所造成。

图5 实际制作的E类功率放大器

从图6可看出，功放的输出功率随着工作电压的增大而增大，在35V时，仿真的输出功率达到47W，实验结果也达到了32.5W。图7显示，漏极效率的曲线基本是平稳的，说明输出功率受工作电压的影响不大，仿真结果在75%左右波动，实验结果在60%左右波动，其中在工作电压为15V时，可以达到最大效率68%。图8所示的是附加效率曲线，可以看到在10V到35V范围内功放的附加效率呈现出很好的平坦性，这可以给功放的实际应用带来很大的便利。

图6 输出功率随工作电压的变化曲线

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。