基于SiC器件的高效E類功率放大器

1 引言

近年來(lái)各種通信技術(shù)迅猛發(fā)展，如何提高通信系統(tǒng)的效率成為重要的研究課題。射頻功率放大器是通信系統(tǒng)中消耗功率最多的器件，尤其在無(wú)線通信基站和衛(wèi)星通信等應(yīng)用領(lǐng)域中，提高射頻功放的效率可大大降低系統(tǒng)的消耗和節(jié)約能源，因此各種高效率功率放大器成為人們研究的熱點(diǎn)。作為高效率功率放大器的一種，E類功率放大器的基本模型最早由NATHAN O. SOKAL和ALAN D. SOKAL于1975年在文獻(xiàn)中提出。E類功率放大器的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作原理是把晶體管作為一種開關(guān)使用，使得漏極電流和電壓正交，繼而漏極消耗的功率為零，因此理論上的漏極效率可以達(dá)到100％。

早期的E類功放都是由集總參數(shù)元件所構(gòu)成，但在微波頻段，集總參數(shù)元件損耗較大而不再適用，于是發(fā)展出了用微帶線替代集總參數(shù)元件的微帶E類功率放大器，微帶E類功放不但效率高，還能很好的抑制諧波能力，因此在微波頻段中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著對(duì)E類功率放大器的理論研究不斷深入，許多中分析和設(shè)計(jì)方法被提出，E類功放的電路結(jié)構(gòu)得到不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，E類功放的效率和性能也得到很大提高。此外，隨著新型半導(dǎo)體功率器件的發(fā)展，尤其是SiC和GaN等寬禁帶半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，E類功放的效率也得到進(jìn)一步的提升。本文采用SiC MESFET作為有源器件設(shè)計(jì)一個(gè)E類功率放大器，用ADS軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化，并對(duì)實(shí)際電路板進(jìn)行了測(cè)量，最后給出了仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析。

2 E類功放原理

E類功率放大器的原理就是讓晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，使得晶體管漏極的電壓和高流不同時(shí)出現(xiàn)，理論上漏極消耗的功率為0，則漏極效率可以達(dá)到100％。圖1是典型的E類功率放大器原理圖，其中RFC為高頻扼流圈，S為等效晶體管開關(guān)，C_shunt是晶體管的寄生輸出電容和附加電容的總電容，L和C組成理想串聯(lián)諧振回路，jX是補(bǔ)償電抗，保證晶體管的漏極電壓和漏極電流正交，R為等效負(fù)載電阻。這是集中參數(shù)元件構(gòu)成的E類放大器，但在射頻頻段，微帶線更適合應(yīng)用于E類功放的設(shè)計(jì)中，本文研究的功放是工作在L頻段，所以其中的高頻扼流圈，串聯(lián)諧振回路，補(bǔ)償電抗，輸入和輸出阻抗匹配均采用微帶線實(shí)現(xiàn)。

圖1 E類功率放大器原理圖

3 晶體管直流工作特性

SIC MESFET具有很高的反向擊穿電壓，結(jié)電容很小，還有很好的熱傳導(dǎo)性?；谝陨线@些優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，SIC MESFET在各種類型的功率放大器中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由CREE公司生產(chǎn)的SIC 器件CRF24010 和CRF24060是第一批商用化的SIC器件，它們的工作頻率可以達(dá)到2.5GHz的上限。綜合考慮以上各種因素，本文選擇了CREE公司生產(chǎn)的SIC MESFET器件CRF24060作為功放電路的有源器件。

直流偏置電壓不僅能確保功放工作在所需的工作狀態(tài)，還會(huì)對(duì)功放的最佳匹配負(fù)載和效率等參數(shù)產(chǎn)生影響。為了找到最佳直流電壓值，使功放的效率達(dá)到最大，對(duì)晶體管的直流工作特性進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 晶體管直流工作特性