F類功率放大器漏極電壓研究

摘要 F類功率放大器實(shí)現(xiàn)高效率的基本原理，是利用輸出濾波器控制漏極輸出的電壓或電流波形?；谶@一點(diǎn)，文中首先理論分析了在不同諧波比例下的漏極電壓波形，然后利用電磁仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，僅有三次諧波和基波組合在一起時(shí)，當(dāng)三次諧波和基波電壓比K=0．111時(shí)，漏極電壓波形最平坦；當(dāng)K接近0．4時(shí)，漏極電壓波形趨于方波。最后選擇合適的諧波比例，設(shè)計(jì)了一款功率附加效率最大值達(dá)到88．074％的F類功率放大器。
關(guān)鍵詞 F類；功率放大器；漏極電壓；功率附加效率

近年來，無論在全球移動(dòng)通信系統(tǒng)、第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)等民用領(lǐng)域，還是在雷達(dá)、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航等軍用領(lǐng)域，射頻功率放大器作為這些系統(tǒng)中的前端器件，對(duì)其低耗、高效、體積小的要求迅速增加。
眾所周知，功率放大器是射頻電路眾多模塊中功率損耗最大的，作為系統(tǒng)的核心和前端部分，它的效率將直接影響系統(tǒng)效率，因此效率問題成為現(xiàn)代功率放大器的研究熱點(diǎn)。在大多數(shù)功率放大器中，功率損耗的主要是晶體管損耗，主要由電壓和電流產(chǎn)生的，從而提出開關(guān)類功率放大器，主要有D類，E類和F類。其中F類功率放大器專門設(shè)計(jì)一個(gè)諧波網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)漏極電壓和電流波形控制。理論上，F(xiàn)類功率放大器的漏極效率為100％，被稱為新一代功率放大器。

1 F功率類放大器的工作原理
傳統(tǒng)功率放大器由于輸出電路上的功率消耗，其工作效率很低。為增加傳統(tǒng)功率放大器的工作效率，理想的F類功率放大器使用輸出濾波器對(duì)晶體管輸出電壓或電流中的諧波成分進(jìn)行控制，歸整晶體管輸出的電壓和電流波形。從而實(shí)現(xiàn)集電極電流的角度參數(shù)為90°，即保持集電極波形為半個(gè)正弦波，集電極電壓波形為方波，并且兩者的相位差是λ／4，這樣集電極電壓和電流的波形就沒有交疊區(qū)，從而達(dá)到100％的理想效率。
100％理想集電極效率的阻抗條件應(yīng)是

滿足上述的阻抗條件實(shí)現(xiàn)的理想F類功率放大器的電壓和電流波形如圖1所示。

此時(shí)，如果驅(qū)動(dòng)信號(hào)是一個(gè)占空比為50％的方波信號(hào)，晶體管可近似作為一個(gè)理想開關(guān)，晶體管輸出的電壓波形中包含各奇次諧波成分。流過開關(guān)的電流中僅包含有基頻頻率成分和各高階偶次諧波成分。這樣由奇次諧波的總和來近似方波的電壓波形，基波和偶次諧波的總和來近似半正弦波的電流波形。從而得到電壓和電流表達(dá)式如下


2 F類功率放大器的漏極電壓分析
F類功率放大器設(shè)計(jì)的基本原理是控制晶體管漏極的諧波電壓和電流信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)漏極電壓為方波信號(hào)，電流為半正弦波信號(hào)，這也是實(shí)現(xiàn)高效率的根本原因。
然而，在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中難以對(duì)所有諧波都進(jìn)行控制的理想F類模式，增加考慮諧波的次數(shù)會(huì)在較大程度上增加設(shè)計(jì)的難度，并且效率的提高并不明顯。在只考慮2次和3次諧波的情況下，最大效率可達(dá)81．7％。因此在分析中，只考慮3次以內(nèi)的諧波。
僅有3次諧波和基波組合在一起時(shí)，漏極電壓如式(4)所示