基于GaN器件的平衡式功率放大器的研究设计与实现

摘要

随着无线通信技术的的飞速发展，高性能射频微波器备受关注。射频微波功率放大器是无线发射机系统中最为重要的组成部分，已经广泛应用于各种民用、军用和航天等领域的产品之中，其作用是对射频信号进行放大并将输出大功率给外部负载。随着5G时代的到来，对射频功率放大器的性能要求也会越来越高。所以，对其的研究具有更加现实的价值和深远的意义。 功率放大器作为通信系统发射机中能耗最大的模块，其性能的优劣对于整个通信系统至关重要。所以，提升功率放大器的工作效率，是通信系统朝着绿色节能方向发展的关键，也是当前功率放大器一个重要的研究课题。新一代逆F类开关功率放大器在电路简洁性和效率方面都具有较大的优势，促使其成为当前高效率功率放大器的研究重点。同时，随着GaN HEMT器件材料、工艺以及结构的发展和GaN半导体技术的逐渐成熟，对功率放大器性能的提升具有显著的效果。 基于以上分析，本论文在概述射频功率放大器的发展历史和研究现状之后，对功放的分类和基本指标进行了介绍，然后从基本原理上分析了F类功率放大器高效率的根本原因。针对功率放大器效率低和输入输出端反射损耗较大的缺陷，首先基于GaN器件CGH40010F设计了工作于2.6GHz的逆F类功率放大器电路：根据功放管输出寄生参数的等效网络，将负载阻抗转换到封装参考面上，并且考虑了栅源寄生电容对输入信号的影响，在输入拓扑结构中加入二次谐波抑制电路，提高了放大器的效率。同时，在栅漏极偏置电路中，采用扇形微带线代替短路电容，使电路结构更为紧凑。最后通过3dB分支线型耦合器在输入输出端口与所设计的逆F类功放的级联，完成平衡式功放的设计。 经仿真优化和实测表明，饱和输出功率为42.32dBm，最大漏极效率为75.75%，最大功率附加效率（PAE）达到70.16%，输入输出驻波系数均小于2。实测结果与仿真数据基本吻合，验证了设计方法的可行性。

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