微电子技术
邵煜伟，陶洪琪
(南京电子器件研究所微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室，江苏南京210016)
摘要：定量地分析了输入谐波控制理论对功放效率的影响。同时，选用了南京电子器件研究所的0.25GaN HEMT器件，并对该GaN HEMT器件进行了负载牵引仿真和大信号仿真。根据仿真结果发现，通过输入谐波控制可以提升射频功率放大器的效率，在频带內能获得3〜10%的效率提升。以此设计了一款X波段单级MMIC功放。经测试，该功放芯片在9.2〜H.3G?z范围內功率附加效率最大可以达到52.88%。
关键词：功率放大器；输入谐波控制；高效率；MMIC
中图分类号：TN722文献标识码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.201247
中文引用格式：邵煜伟，陶洪琪.基于GaN的输入谐波控制射频功率放大器设计[J].电子技术应用,2021,47(4):67-70,76.英文引用格式：Shao Yuwei,Tao Hongqi.Design of GaN-based input harmonic control RF power amplifier"].Application of Electronic Technique,2021,47(4):67-70,76.
Design of GaN-based input harmonic control RF power amplifier
Shao Yuwei,Tao Hongqi
(Science and Technology on Monolithic Integrated Circuits and Modules Laboratory,Nanjing Electronic Devices Institute,
Nanjing210016,China)
Abstract:The influence of input harmonic control theory on the performance of power amplifier efficiency is qualitatively analyzed. At the same time,the0.25|xm GaN HEMT device from Nanjing Institute of Electronic Devices was selected,and the load pull test and harmonic balance simulation of the GaN HEMT device were carried out.According to the test results,it is found that the efficiency of the RF power amplifier can be effectively improved through the input harmonic control,and an efficiency improvement at3〜10%can be obtained in band.Based on this,an X-band single-stage monolithic microwave integrated circuit(MMIC)power amplifier was designed.After testing,the power amplifier chip has a maximum PAE at52.88%in the range of9.2to11.3GHz. Key words:power amplifier；input harmonic control；high efficiency；monolithic microwave integrated circuit
o引言
随着电子通信技术的不断发展，谐波控制射频功率放大器由于其高效率的特性广泛应用于航天雷达等领域中。谐波控制是目前提高功放效率的重要技术之一。
由于射频功率放大器可以看成一个能量转换器，为了提高功率放大器的工作效率，必须减小晶体管的自身损耗[1]，即令！能二0，如式(1)所示：
!屆二!"4#)$ds(#)d#二0(1)传统的功率放大器是通过减小导通角来减小管耗，进而提升其效率。可以通过进一步控制谐波，使放大器自身的电压电流波形在一个周期上相互交错开，从而减小晶体管的损耗以提高功率放大器的效率。比如F类功率放大器就是通过调节负载谐波阻抗使其在偶次谐波短路，奇次谐波开路，从而形成没有交叠的方波电压波形和半正弦波电流波形⑵。常见的高效率功率放大器有E/逆E类⑶、B⑷/J⑸类、F/逆F类和S[6]类等。 这些年以来，谐波控制类功放相关的研究愈发得到重视，研究成果众多。2014年,NIKANDISH G设计了一款双频F类功放，工作在5GHz和12GHz，附加效率分别为58%和51%，对应的输出功率为28dBm和26.7dBm⑺。2017年,MOHADESK-ASAEI S A设计了一款高效率、高线性的J类功率放大器，其工作于1.6〜2.6GHz，使用了源阻抗与器件的输入阻抗共轭匹配，输出功率为38〜39.9dBm，效率为60%〜73%[8]o2020年，L i u Guohua设计了一种使二次谐波和三次谐波宽带相匹配的新型宽带F类功率放大器，其工作于1.5〜2.6GHz，饱和输出功率为10W，漏极效率为60%〜80%⑼°从目前的情况来
看，在功率放大器的设计中，谐波控制技术是一项非常重要的技术[10]，但是仍然有不少的提升空间。
本文通过理论分析、负载牵引仿真、大信号仿真和电路设计验证等几个步骤，定性地分析了功放设计过程中输入谐波控制的必要性，同时实现了输入谐波控制理论在X波段MMIC功率放大器设计中的应用[11]o
《电子技术应用》2021年第47卷第4期一67
微电子技术
1原理分析
不同的输岀电压电流波形能够使放大器工作时产 生不同量的耗散功率。耗散功率越小，功率放大器能量
转化能力就越强。谐波控制类放大器便是通过对谐波分
量的控制，来获得最佳波形，以提升效率［12］ !
就实际器件来说，存在着反馈电容，由于其非线性 因素的影响，功放输岀电路特性将受制于输入电路特 性，即输入谐波成分是决定输岀波形的关键因素。所以
在谐波类功放设计中，控制输入谐波阻抗也将是很有必 要的o 工作在电流源模式下的FET 器件等效电路示意图
见图1［⑶o
当电路处于B 类状态下时,!⑹为[14]:钓鱼船
!(!)二/max (1 + 1.5sin !-0.583 5cos2!+0.083 4cos4!)/32
3 4
5
二"o + "1#?s (!)+ "2$?s (!) + "3$?s (!) + "4$?s (!) + "5$?s (!)
(2)
其中,"o 〜"5代表的都是电压系数。同时，栅-源电压波 形函数$吐!)为:
$s ⑹二 $?o + $叙血！
(3)
其中,$0和$叙分别是直流电源和基频电压幅度。
以此为基础可推导岀式(4)〜式(7):
2 2 3
"o
+ "1$?0(!) + "2$?so (!) + 0.5"2$?si (!)+ "3$?s0 (!) +
245
1.5"3$?o (!) $?s1 (!)+ "4$?so (!)+ "5$?so (!) +
2 2
3 2 4
3"4$?so (!)$?s1 (!) + 5"5$?so (!)$?s1 (!) + 0.375"4$嗣(!) +4
1.875"5$?o (!) $ 剂(! ).0.3337/01
(4)
"1
$嗣(! )+2"2$闕(!) $?s1(! ) + 3"3$ ：o (!) $叙(!) +
3
3
4
0.75"3$?s1 (!)+4"4$?so (!)$皐!) + 5"5$屎(!)$嗣(!) +
3 2 3 5
3"4$?o (!)$?s1 (!)+7.5"5$?so (!)$嗣(!)+0.625"5$嗣(!).0.57/ax
(5)
2 2
4
0.5"2$?s (!)-1.5"3$?so (!)$?s1 (!)-0.5"4$剂(!)-4
2 2
2.5"5$?o (!)$?s1 (!)-3"4$?so (!)$嗣(!)-32
5"5$ ?so (!) $ ?s1(! ).-0.19457/01
(6)44
0.125"4$?s1 (!)+0.625"5$闕(!)$嗣(!)二0.0278"吨
(7)
然后，将具有初始振幅$辭和相位为#2的二次谐波
电压分量添加到晶体管的输入节点。这种情况下的栅极 电压最终可以表示为:
$s (!). $?o + $叙血！ + $?s2sin(2!+#2) (8)
再将式(2)与式(8)相联系，可以得岀输入二次谐波
电 流 分量 为 :
1o
!2nd - harmonic ( ! )
— 7DC +
!
) (9)
& . 1
可以看岀，由于在晶体管的输入节点处存在二次谐 波电压，因此产生了更高的谐波电流分量。
而电路的漏级电压可以写成：
$ds (!)二 $dc +( $DC - $')(1.21sin !+0.28sin3!) (10)
其中,$DC 和$'分别是直流电源电压和膝点电压。而通
过负载阻抗牵引调节电路二次谐波的负载阻抗，就可以
针对电流谐波含量进行适当的修改，以减小更高的谐波 电流分量带来的影响。
2功放设计
本文中使用的是南京电子器件研究所的GaN 0.25 !m 工艺HEMT 器件，晶体管总栅宽为960 !/(4"4"60 !/)。
本文选取的栅压为-2.7 V ，漏压为28 V 。
射频功率放大器的设计离不开ADS 的仿真［15］，负载 阻抗牵引作为一种重要的方法，该方法可以在保证输入
阻抗匹配的同时，通过不断变化负载阻抗，同时到有 源器件输岀功率最大的输岀阻抗和效率最高的输岀阻 抗，本文选取的为效率最高的输岀阻抗。
功放的输岀功率主要取决于有源器件的负载阻抗:
通过改变负载阻抗的值来获得功放不同的性能叫做负
载阻抗牵引；同理改变源阻抗的值来获得功放不同的性
能叫做源阻抗牵引。计算机技术的进步和微波EDA 技
术的发展，利用ADS 仿真软件来实现负载牵引无疑是一 种非常便捷的选择。
在做负载牵引仿真时，先得到相应的最佳负载阻抗
点，再将这些最佳负载阻抗点带入对应的源牵引仿真, 可以得到器件的源阻抗点。之后再以迭代的方式得岀最 终的最佳负载阻抗点。图2和图3以10 GHz 为例展示
了负载牵引的结果,m1为最佳的基波阻抗点。
输入谐波控制电路设计最重要的是到最佳的输 入谐波阻抗。功放的效率会随着输入谐波阻抗的不同
而 产生相应的差异。
图2 4x 4x 60 管芯10 GHz 基波负载牵引仿真结果
68 —
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d
SJnsuoo
LLI v d
图3 4
"4"60 !=
管芯10 GHz 基波源牵引仿真结果
以相同的方法可以得出8〜12 GHz 最佳负载阻抗
点，如表1所示。
表1 8〜12 GHz 最佳负载阻抗点
输出匹配网络(0MN)采用了 LC 匹配的方式，但是由
于衬底的介电常数较大，导致了输出匹配网络的损耗较
氚电池大，在9〜12 GHz 范围内，输出匹配网络有0.55 dB 的损
耗，如图5所示。
8 GHz
9 GHz 10 GHz 11 GHz 12 GHz !L , fund
11.77+j27.43
10.99+j24.95
8 . 576 + j23 . 46
6.678+j21.70
4.702+j20.09!l , 20.126+j33.52
0.008+j22.74 1.001+j18.30
0.004+j19.23
0.006+j20.57
!l , 3
0.024+j21.430.678+j26.66
0.002+j13.000.023+j11.670.017+j10.74
!S , fund
15.58+j21.19
17.93+j12.5914.03+j11.158.283+j12.62
9.453+j6.173
!s , 2
0.245+j4.915
1.218+j4.168
2.344+j
3.1810.007+j2.789 1.002+j2.574
!
s , 3
2.064+jl5.790.759+j5.0670.319-j1.3170.599+j7.164
0.423+j6.574
//GHz
图5输出匹配网络(0MN)损耗
输入匹配网络(IMN)则是在多谐波负载
牵引的基础上，在不同位置添加了三个输入
谐波控制枝节电路，分别位于图6中的1、
2、3 处。
同时，效率对输入二次谐波阻抗相位较为敏感。这 也提醒我们需要精细地调节输入二次谐波阻抗相位。通
过牵引仿真得到了最佳的输入二次谐波阻抗值，接着加 以实现。图4以10 GHz 为例展示了最佳的基频、二次、
三次谐波阻抗相位点。
501
•50j
图4 4
"4"60 !=
管芯10 GHz 二次谐波牵引测试结果
图6射频功率放大器芯片版图照片
利用二次谐波控制枝节，可以达到提高射频功率放
大器效率的目的；同时RC 并联电路则可以提高该电路 的稳定性。其中，二次谐波控制枝节可以有效减小输入
二次谐波所造成的影响。整体的射频功率放大器采用了
电抗匹配方式。
3结果分析
为了验证前面的分析，设计了 X 波段单级MMIC 功
放，芯片尺寸2.4 mm X 2.8 mm 。芯片图如图7所示。
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图7射频功率放大器芯片实物照片
//GHz
该射频功率放大器芯片的PAE 如图8所示。由图可 知，该功率放大器在二次谐波控制枝节的帮助(PAE1),
和未添加二次谐波控制枝节(PAE2)的时候相比，功率附
加效率提升了 3%〜10%。
60
出租车计价器传感器d
//GHz
30
30
20
9.5
11.0
FANPN
・ PAE1
▲ PAE2
图8射频功放芯片的功率附加效率
渗透印章而该射频功率放大器芯片的输出功率则如图9所 示，可以看出，在频带范围内，该功放有最大38.3 dBm 的输出功率。
同理，该单级射频功率放大器芯片的功率增益如图10 所示，在频带范围内，该功放有最大9.3 dB 的增益。
根据负载牵引的仿真结果，可以证明设计的功放在
9.2 GHz 〜11.3 GHz 范围内因为谐波控制而实现了效率
提升，在10.6 GHz 处达到最佳，且输入驻波小于2o
4结论
本文研究了利用输入谐波控制提高射频功率放大 器的效率，通过谐波负载牵引对南京电子器件研究所的
0.25 !m GaN HEMT 器件进行负载牵引仿真，并以此数据
设计了一款单级X 波段射频功率放大器，在9.2 GHz -
11.3 GHz 范围内PAE 最高可达52.88%。
图9射频功放芯片的输出功率
//GHz
图10射频功放芯片的增益
同时，在后续的研究中，为了提高负载牵引对晶体
管的精度，可以使用基于神经网络的DynaFET Model 技
术，以取得更好的结果。参考文献
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(下转第76页)
70 —www.Ch in a
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测控技术与仪器仪表
5结论
本文采用TF-IDF方法表示安全问题文本，通过遗传算法优化集成分类器并最终得到具有更高分类准确度的基分类器组合，提出了Evolutionary Ensemble Classifier 文本分类模型，应用某路局安全接触网问题进行验证，实验证明Evolutionary Ensemble Classifier模型在安全接触网问题具有较高的准确性，也可以为处理铁路其他文本分类问题提供参考模型。
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(收稿日期:2020-12-24)作者简介:
邵煜伟(1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向：GaN 功率MMIC研究。
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