高效率逆E类功率放大器研究

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　　摘 要
　　论文根据逆E类功率放大器的工作原理，采用一种新的简单的时域分析方法分析了晶体管导通电阻Ron和输出电容Cout对放大器效率的影响。提出了一种Cout的补偿电路，和一种简单的二次谐波利用网络，提高效率。采用Freescale MRF281非线性电路模型，完成了频率范围1.92～1.98GHz、输出功率30dBm的逆E类功率放大器的仿真设计。仿真结果表明漏极效率在整个频率范围内优于81%，在中心频点1.95GHz上为85.2%。说明改进的电路结构简单、易于实现，对效率改善效果明显。
　　关键词
　　功率放大器;逆E类;E类;高效率
　　中图分类号： TN722.75                        文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.074
　　Abstract
　　Based on the basic principles of inverse class E power amplifier， we analyzed the effects of parasitic switch-on resistance （Ron） and output capacitance （Cout） of the transistor on efficiency of power amplifier on time-domain with a new simple method in this paper.  To enhancing the drain efficiency， circuits were put forwarded for compensating Cout and utilizing second harmonic.  Simulation Using Freescale MRF281 non-linear model was performed.  Simulation results of an inverse class E power amplifier show that in the whole frequency range 1.92～1.98 GHz， with output power of 30dBm， drain efficiency is higher than 81%， and reaches 85.2% at the central frequency 1.95GHz. It proves that the new topology is simple and effective.
　　Key words
　　Power Amplifier;Inverse Class E;Class E;High-Efficiency
　　0 引言
　　射频功率放大器作为现代无线通信系统的主要组成部分，其性能很大程度上决定了发射部分甚至整个通信系统的指标，所以受到了越来越多的关注。L波段被广泛使用于雷達通信、电台通信、移动通信等各个领域。在无线通信系统中，功率放大器耗能占整个系统功耗的60%～90%。低效率功率放大器严重影响着系统的整体性能。所以，高效率射频功率放大器对于提高收发器效率，降低电源消耗，提高系统性能，降低生产和维护成本都有十分重要的意义，其在电池供电的便携式移动应用设备中更是意义非凡。1975年， Sokal等人提出了基于开关模型的E类功率放大器[1]，E类结构以其理论效率为100%引起广泛关注。1977年Raab提出了基于电压控制的E类功率放大器[2]，此后Brabetz[3]等人进一步分析阐述了其工作原理，称之为逆E类功率放大器。逆E类功率放大器，以其潜在的更高的效率，更易小型化等优势，已成为近年高效率功放研究的新热点。
　　表1简单比较了一些已经发表的E类和逆E类的功率放大器[4-6]，其漏极效率在63%～69%，本文仿真漏极效率为85%，可以看出在低功率放大器中，逆E类结构漏极效率优于E类。
　　1 逆E类功率放大器的工作原理
　　为了简化分析，我们做如下假设[2]：
　　（i）晶体管工作在理想开关状态。
　　（ii）电路中的无源元件都是线性时不变的理想元件。
　　（iii）射频扼流圈RFC只能通过直流电流。
　　（iv）CB只能通过交流电流。
　　（v）LpCp品质因数足够大，使RL上电压为正弦。
　　逆E类功放电路结构如图1。其中RFC防止直流、射频信号互扰，隔直电容CB防止电源VDD通过Lp接地，谐振电路LpCp使负载RL上电压为正弦，Cx补偿因LpCp产生的相位差。当晶体管导通时，晶体管电压vsw=0，电感Ls上电压vL为VDD和负载电压之和，漏极电流isw由vL积分可得;当晶体管截止时，vsw为VDD和负载电压之和，vL=0，isw=0，因此晶体管上电流电压不同时出现，实现高效率。在频率1.95GHz，漏极偏压10V，输出功率30dBm条件下，理想逆E类晶体管漏极电流、电压波形如图2，漏极效率接近100%。
　　2 电逆E类结构中晶体管导通电阻Ron和输出电容Cout的功耗分析
　　在理想状态，电路的晶体管工作在饱和、截止两种状态，可将其等效为随输入信号频率工作的开关。在实际电路中，晶体管不可能工作在理想状态。逆E类结构中晶体管上的功耗主要来自两个方面，即晶体管导通电阻Ron和输出电容Cout。
　　2.1 晶体管导通电阻Ron的功耗分析 　　改進后所得仿真结果如图7所示。与图6比较可得，改进后晶体管漏极电压降低，由（17）可得Cout上功耗降低;导通电流较高的时间减小，使Ron功耗降低。在输出功率不变的情况下，漏极效率有明显提高。可以看出在频率范围1.92～1.98GHz内，漏极效率在81%以上、中心频点上为85.2%，在84%以上带宽为40MHz，输出功率30dBm±1dB、中心频点上为30.5dBm，所得结果很好的满足了设计要求。
　　4 结论
　　从小型化实际需求出发，设计出一种基于一体化封装的小型化方案。小型化后电路尺寸约为20mm×15mm×7.6mm，电路平面面积缩小88.2%，均为原电路的1/8大小，大大缩小了原电路的体积，小型化效果明显。通过常规MCM和SMT工艺，组装实现了小型化电路，实测功能与电参数与原模块电路基本一致，满足指标要求。
　　该小型化电路为无引线表贴封装，由于内部焊膏温度梯度问题，目前暂时只能使用手工焊接装配，无法使用高温回流焊进行组装。后续将针对该问题，继续开展进一步的研究。
　　参考文献
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