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双级高效功率放大器设计

天津大学电子信息工程学院School of Electronic Information Engineering

周鹏

主要内容

一、 F类功率放大器原理介绍二、双级高效 PA的设计与仿真三、双级高效 PA测试结果

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F 类功率放大器原理介绍

F类 PA使用输出滤波器对晶体管漏端电压或者电流中的谐波成分进行控制，归整晶体管漏端的电压波形或者电流波形，使得它们没有重叠区，减小开关的损耗，提高功率放大器的效率。

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F 类 PA漏极电压电流波形

F 类功率放大器原理介绍

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F 类功率放大器原理介绍

实际电路设计中不可能同时满足所有高次谐波阻抗的设计要求，当考虑到 4 次谐波阻抗的匹配时， F类 PA的理想效率便能达到 80%。

另外，晶体管寄生参数的存在对 F类 PA的效率会产生很大的影响，特别是在高频时，晶体管漏源电容 Cds

将会造成高次谐波短路到地，同时晶体管漏极的寄生电容和电感也会对 PA的输出谐波分量产生很大的影响，这些影响无疑加大了 F类 PA的设计难度。

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双级高效 PA的设计与仿真

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双级高效 PA电路图

根据上述的理论分析，我们选取 Cree公司的 GaN HEMT 管 CGH40010F设计了一款双级高效 PA，其前级为AB类，后级为 F类。前、后级 PA的漏极电压偏置在典型的 28V，前、后级栅极电压为 -3.3V。

双级高效 PA的设计与仿真

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电路的 EM联合仿真结果如图所示，双级高效 PA 在2.65GHz频率时的输出功率能够达到 41.73dBm，附加效率能够达到 73.80%。

双级高效 PA电磁仿真输出功率与附加效率曲线 双级高效 PA漏极电压电流波形

双级高效 PA测试结果

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高效 PA测试构架图

PA的测试方案构架图如图所示，测试所用的仪器为矢量网络分析仪（ R&S ZVA40），功率计（ R&S NRP2），频谱仪（ R&S FSV）。

高效功率放大器的研究现状

通过优化调试，双级高效功率放大器的实物图如左图所示，测试结果如右图所示，在 2.65GHz频率，放大器的增益达到 65.69%，附加效率达到40.5dBm ， 2.6GHz-2.7GHz频段内， PA的最高附加效率为 67.53%，增益大于 40dBm，功率增益平坦度± 0.3dB。

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双级高效 PA实物图 双级高效 PA实测输出功率和效率曲线

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