0 引言

　　隨著無(wú)線(xiàn)通信的快速發(fā)展和廣泛普及，無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)收發(fā)機(jī)的性能要求越來(lái)越高。功率放大器作為發(fā)射機(jī)的主要組成部分，其指標(biāo)決定著發(fā)射機(jī)的性能，如效率決定著整機(jī)功耗，線(xiàn)性度決定著整機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，諧波分量大小又是發(fā)射機(jī)線(xiàn)性度的度量。傳統(tǒng)的功率放大器為了獲得較高效率，功放管通常會(huì)工作于飽和狀態(tài)，這時(shí)將有大量的諧波分量產(chǎn)生[1]。如果不對(duì)諧波分量加以回收和抑制，這不單會(huì)造成能量的浪費(fèi)，降低了其效率，還會(huì)對(duì)其他信道的信號(hào)造成干擾。通常功率放大器為了獲得較高的效率和較低的諧波分量都使得功率放大器工作于F類(lèi)[2]，但該結(jié)構(gòu)需要采用λ/4傳輸線(xiàn)，占用空間面大，不利于小型化。文獻(xiàn)[3]采用了低通輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一個(gè)工作于E類(lèi)的功率放大器，在11 dBm輸入時(shí)的2～5階諧波分量分別為：-19 dBc、-30 dBc、-38.5 dBc、-41.7 dBc。但該結(jié)構(gòu)采用E類(lèi)放大器，它要求功放管具有較高的集電極擊穿電壓，這與集成電路發(fā)展趨勢(shì)相違背。文獻(xiàn)[4]采用GaN工藝設(shè)計(jì)的功率放大器，為了獲得較好的諧波性能，該設(shè)計(jì)在輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中引入了兩根開(kāi)路傳輸線(xiàn)，但開(kāi)路傳輸線(xiàn)的使用使得該方法與現(xiàn)代電路向小型化、集成度高方向發(fā)展相違背。

　　本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、利于集成且具有諧波抑制功能的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，利用該方法采用InGaP/GaAs HBT工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)工作于2 GHz頻率的功率放大器。測(cè)試結(jié)果表明，利用該方法設(shè)計(jì)的功率放大器獲得了較高的效率和很好的諧波性能。

1 電路設(shè)計(jì)

　　一個(gè)典型的功率放大器通常由輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、放大電路、直流偏置電路和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)組成[5]。然而對(duì)功率放大器性能起決定性作用的還是匹配網(wǎng)絡(luò)。它作為功率放大器的重要組成部分，任何一個(gè)不合適的匹配網(wǎng)絡(luò)都可能會(huì)引起電路的不穩(wěn)定，導(dǎo)致功率放大器輸出功率小、效率低，惡化其線(xiàn)性度。設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，在滿(mǎn)足基本的阻抗變換的同時(shí)，還要兼顧到其諧波阻抗，插入損耗以及網(wǎng)絡(luò)的帶寬，最后還需要考慮所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)是否易于實(shí)現(xiàn)以及小型化。

　　1.1 具有諧波抑制功能的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

　　輸出匹配網(wǎng)絡(luò)作為匹配網(wǎng)絡(luò)中最重要的部分，決定著功率放大器的功率和效率，以及最終功率放大器的諧波性能。文獻(xiàn)[6-7]詳細(xì)說(shuō)明了輸出匹配網(wǎng)絡(luò)二次諧波阻抗對(duì)其效率的影響，但都忽略了高次諧波的影響。本文設(shè)計(jì)的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)在考慮二次諧波阻抗的同時(shí)，還兼顧了高次諧波阻抗，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　其中C1起隔直作用，L1、C3和L5、C2構(gòu)成一個(gè)二級(jí)低通網(wǎng)絡(luò)，在基頻時(shí)主要起阻抗變換作用，在高階奇次諧波處呈現(xiàn)出高阻抗，C4和L4構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)LC諧振網(wǎng)絡(luò)，諧振頻率為2ω0，其中ω0為基頻，使得輸出網(wǎng)絡(luò)在二次諧波處得到一個(gè)短路的負(fù)載。該結(jié)構(gòu)類(lèi)似于F類(lèi)功率放大器[8]，對(duì)奇次諧波負(fù)載呈現(xiàn)高阻抗，對(duì)偶次諧波負(fù)載呈現(xiàn)低阻抗，有利于對(duì)功放管的輸出電壓電流波形進(jìn)行整形，減小兩者之間的重合提高了效率[9]。同時(shí)為了對(duì)高次諧波能量進(jìn)行回收和抑制，在該兩級(jí)LC低通匹配中加入了兩個(gè)電感L3和L2，它和C3、C2構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，諧振頻率分別為3ω0和5ω0，即分別對(duì)3次諧波和5次諧波進(jìn)行處理。輸出匹配結(jié)構(gòu)的分析如下：對(duì)于功放管的負(fù)載，它的值大小與輸出功率的關(guān)系為：

　　為了獲得較好的網(wǎng)絡(luò)帶寬，兩級(jí)LC低通匹配網(wǎng)絡(luò)中間級(jí)的阻抗為：

　　對(duì)于由LC構(gòu)成的諧波處理網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其諧振在高次諧波頻率上時(shí)，在基頻處，該網(wǎng)絡(luò)等效為一個(gè)電容，如圖2所示，設(shè)L2C2諧振在n次諧波處（圖2（a）），在基頻處它等效為電容Ceq1（圖2（b）），其關(guān)系為：

　　工作于基頻時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)的阻抗為：

　　聯(lián)立(3)(4)兩式得：

　　即諧振網(wǎng)絡(luò)在基頻處的等效電容與諧振網(wǎng)絡(luò)的電容關(guān)系為：

　　對(duì)于本設(shè)計(jì)因L2C2諧振在5次諧波頻率處，L3C3諧振在3次諧波頻率處，所以有：

　　對(duì)于L4C4組成的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，其諧振頻率為2ω0，主要用于回收2次諧波能量，這樣能對(duì)功放管輸出端的電壓和電流波形進(jìn)行整形，減小兩者之間的重合，提高功率放大器的效率。電容電感兩者之間滿(mǎn)足以下關(guān)系式：

　　1.2 整體電路設(shè)計(jì)

　　本文采用以上介紹的具有諧波抑制功能的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，采用InGaP/GaAs HBT工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)工作于2 GHz頻率的高效率高諧波抑制的功率放大器，該放大器采用三級(jí)放大結(jié)構(gòu)，供電電壓為5 V，具體電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　該設(shè)計(jì)為了獲得高的增益采用了三級(jí)放大結(jié)構(gòu)，其中第一級(jí)工作于A類(lèi)狀態(tài)，以獲得高的線(xiàn)性度，該級(jí)采用了一個(gè)RC負(fù)反饋使電路能穩(wěn)定工作；第二級(jí)工作于淺AB類(lèi)狀態(tài)；第三級(jí)為了獲得高的效率工作于深A(yù)B類(lèi)狀態(tài)。其中虛線(xiàn)方框內(nèi)的部分為片內(nèi)實(shí)現(xiàn)，方框外的部分采用多層基板、綁定線(xiàn)和貼片元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)，匹配電感于外部綁定線(xiàn)實(shí)現(xiàn)有助于減少級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)的插損，獲得了較高的效率和功率，同時(shí)調(diào)試靈活方便。對(duì)于輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，其中L4由綁定線(xiàn)和基板上的傳輸線(xiàn)共同組成，通過(guò)調(diào)節(jié)金線(xiàn)的長(zhǎng)度，可以控制二次諧波分量的大小。而對(duì)于L3和L2，由于該網(wǎng)絡(luò)是對(duì)高次諧波進(jìn)行抑制，所需電感較小，主要是由多層基板的過(guò)孔構(gòu)成。

2 測(cè)試結(jié)果

　　本芯片采用InGaP/GaAs HBT工藝制作，圖4為芯片實(shí)物圖，DIE面積為1 mm×1 mm，整體封裝大小為4 mm×4 mm。圖5為本設(shè)計(jì)S參數(shù)測(cè)試結(jié)果，測(cè)試平臺(tái)為安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C。測(cè)試結(jié)果表明，在2 GHz頻率處該設(shè)計(jì)的S參數(shù)為：S21=35.1 dB，S11<-10 dB，S22<-10 dB，從S參數(shù)看出本設(shè)計(jì)獲得了很好的小信號(hào)性能。圖6為輸出功率和輸入功率的關(guān)系圖，從圖可知當(dāng)Pin小于0 dBm時(shí)，放大器工作于線(xiàn)性工作狀態(tài)，當(dāng)Pin大于0時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)壓縮，到達(dá)3 dBm時(shí)，輸出功率已經(jīng)飽和，此時(shí)Pout=35.2 dBm，放大器的1 dB壓縮點(diǎn)為P1dB=34.2 dBm。從該圖可知，該放大器獲得了較好的線(xiàn)性度。圖7為增益Gain和效率PAE隨著輸入功率的變化的曲線(xiàn)圖，該圖表明該設(shè)計(jì)的增益在Pin<0 dBm時(shí)，增益波動(dòng)小于0.2 dB，表明該設(shè)計(jì)獲得了很好的AM-AM，在飽和工作時(shí)，即Pout=35.2 dBm時(shí)，效率為PAE=48%；工作于1 dB壓縮點(diǎn)時(shí)，即Pout=34.2 dBm時(shí)，效率為PAE=43%。從效率曲線(xiàn)圖可知，該放大器不但在飽和工作時(shí)獲得了很高的效率，在線(xiàn)性工作時(shí)也獲得了很好的效率。表1是該設(shè)計(jì)的諧波性能與其他設(shè)計(jì)的比較，從表1可知本設(shè)計(jì)在考慮二次諧波同時(shí)還兼顧了高次諧波，達(dá)到了良好的諧波抑制，特別是在對(duì)高次諧波的處理上。

3 總結(jié)

　　本文通過(guò)在功率放大器的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中引入多個(gè)LC諧振網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)功率放大器的諧波能量進(jìn)行回收和利用，提高了功率放大器的效率，抑制了負(fù)載端的諧波分量。該方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)及利于功率放大器的小型化。利用該方法設(shè)計(jì)了一個(gè)工作于2 GHz頻率的功率放大器，該功率放大器的實(shí)測(cè)結(jié)果為：增益為Gain=35 dB，1 dB壓縮點(diǎn)為P1dB=34.2 dBm，飽和工作時(shí)效率為PAE=48%，各次諧波分量大小分別為：HD2=-53 dBc、HD3=-58 dBc、HD4=-65 dBc、HD5=-60 dBc。測(cè)試結(jié)果表明，該方法設(shè)計(jì)的功率放大器獲得了很好的效率和諧波性能。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] KIM J，MOON J，BOUMAIZA J，et al.A novel design method of highly efficient saturated power amplifier based on selfgenerated harmonic currents[C].In Proc.39th Eur.Microw.Conf.，2009：1082-1085.

　　[2] CRIPPS S C.RF power amplifier for wireless communica-tions[M].2nded，Artech House Publishers，2006.

　　[3] NEGRA R，GHANNOUCHI F M，BACHTOLD W.Harmonic suppression performance of a 5 GHz MMIC class-E PA using a lowpass lumped-element impedance termination approximation[C].Microwave Conference，APMC 2007.Asia-Pacific，2007.

　　[4] BAE H G，NEGRA R，BOUMAIZA S，et al.High-efficiencyGaN class-E power amplifier with compact harmonic-suppression network[C].Microwave  Conference，2007.

　　[5] 劉斌，劉祖華，黃亮，等.2.45 GHz 0.18 ?滋m CMOS高線(xiàn)性功率放大器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40(2)：46-49.

　　[6] JANGHEON K，MKADEM F，BOUMAIZA S.A high effi-ciency and multi-band/multi-mode power amplifier using adistributed second harmonic termination[C].Microwave Integrated Circuits Conference，2010：420-423.

　　[7] KIM J H，LEE S J，PARK B H，et al.Analysis of high-efficiency power amplifier using second harmonic manipula-tion：inverse Class-F/J amplifiers[J].Microwave Theory and Techniques，2011，59(8)：2024-2036.

　　[8] MOON J，JEE S，KIM J，et al.Behaviors of Class-F and Class-F-1 amplifier[J].Microwave Theory and Techniques，2012，60(6).

　　[9] KIM J H，Gweon Do Jo，Jung Hoon Oh，et al.Modeling and design methodology of high-efficiency class-F and class-F-1 power amplifiers[J].Microwave Theory and Techniques，2011，59(1).

　　[10] TUFFY N，ANDING Z，BRAZIL T J.Class-J  RF power amplifier with wideband harmonic suppression[C].Mic-rowave Symposium Digest(MTT)，2011：1-4.