基于SiC器件的高效E类功率放大器详细教程
1 引言
近年来各种通信技术迅猛发展，如何提高通信系统的效率成为重要的研究课题。射频功率放大器是通信系统中消耗功率最多的器件，尤其在无线通信基站和卫星通信等应用领域中，提高射频功放的效率可大大降低系统的消耗和节约能源，因此各种高效率功率放大器成为人们研究的热点。作为高效率功率放大器的一种，e类功率放大器的基本模型最早由nathan o. sokal和alan d. sokal于1975年在文献中提出。e类功率放大器的电路结构简单，工作原理是把晶体管作为一种开关使用，使得漏极电流和电压正交，继而漏极消耗的功率为零，因此理论上的漏极效率可以达到100％。
早期的e类功放都是由集总参数元件所构成，但在微波频段，集总参数元件损耗较大而不再适用，于是发展出了用微带线替代集总参数元件的微带e类功率放大器，微带e类功放不但效率高，还能很好的抑制谐波能力，因此在微波频段中得到了广泛的应用。随着对e类功率放大器的理论研究不断深入，许多中分析和设计方法被提出，e类功放的电路结构得到不断创新和改进，e类功放的效率和性能也得到很大提高。此外，随着新型半导体功率器件的发展，尤其是sic和gan等宽禁带半导体器件的出现，e类功放的效率也得到进一步的提升。本文采用sic mesfet作为有源器件设计一个e类功率放大器，用ads软件对其进行了仿真分析和优化，并对实际电路板进行了测量，最后给出了仿真和实验的结果分析。
2 e类功放原理 e类功率放大器的原理就是让晶体管工作在开关状态，使得晶体管漏极的电压和高流不同时出现，理论上漏极消耗的功率为0，则漏极效率可以达到100％。图1是典型的e类功率放大器原理图，其中rfc为高频扼流圈，s为等效晶体管开关，cshunt是晶体管的寄生输出电容和附加电容的总电容，l和c组成理想串联谐振回路，jx是补偿电抗，保证晶体管的漏极电压和漏极电流正交，r为等效负载电阻。这是集中参数元件构成的e类放大器，但在射频频段，微带线更适合应用于e类功放的设计中，本文研究的功放是工作在l频段，所以其中的高频扼流圈，串联谐振回路，补偿电抗，输入和输出阻抗匹配均采用微带线实现。
图1 e类功率放大器原理图
3 晶体管直流工作特性 sic mesfet具有很高的反向击穿电压，结电容很小，还有很好的热传导性。基于以上这些优点，近年来，sic mesfet在各种类型的功率放大器中得到越来越广泛的应用。由cree公司生产的sic 器件crf24010 和crf24060是第一批商用化的sic器件，它们的工作频率可以达到2.5ghz的上限。综合考虑以上各种因素，本文选择了cree公司生产的sic mesfet器件crf24060作为功放电路的有源器件。
直流偏置电压不仅能确保功放工作在所需的工作状态，还会对功放的最佳匹配负载和效率等参数产生影响。为了找到最佳直流电压值，使功放的效率达到最大，对晶体管的直流工作特性进行了仿真，仿真结果如图2所示。
图2 晶体管直流工作特性
4 输入输出匹配电路 输入阻抗匹配电路的设计使用ads的smith chart插件在smith圆图上直接设计匹配电路，这种方法操作起来简单方便，设计过程也很直观。先用ads仿真软件导入crf24060的大信号仿真模型，用s参数仿真器得到没有输入匹配阻抗时的s11参数，然后利用ads的单短线匹配工具设计电路，生成可以将阻抗值变换会50欧姆的匹配电路，最后进行手工调节，得到输入匹配电路如图3所示。
输出匹配电路的作用不仅是对输出阻抗进行匹配，还需对漏极的电压和电流进行相位调整，使得漏极电流和漏极电压不同时出现，使两者正交。在本文中先使用理想e类功放的经典设计公式设计出一个初步的匹配网络，然后再进行手动调整，使电路达到最佳匹配。
根据参考文献［8］［9］可知，微带e类功放在工作频率处的最佳阻抗为：
（1）
并联电容为
（2）
此处f取中心频率1ghz，，由cree公司提供的数据显示crf24060的cds=5pf，于是cshunt取5pf。代入公式（3）计算可得rl＝5.8ω，x=6.7ω
至此，已经算得输出阻抗匹配电路所需的元件值。接下来利用ads的单短线匹配工具设计出阻抗为5.8＋j6.7的负载，并将之变换到50ω，最后得到的输出匹配网络如图3所示。
图3 完整的ads仿真电路图
5 仿真及实验结果 采用谐波平衡法对电路进行仿真分析。首先要验证功率放大器是否工作在e类状态，这可以从晶体管漏极电流和电压是否正交来确定。图4是仿真得到的漏极电压和电流的曲线，晶体管的漏极电流和电压的峰值不同时出现，符合e类功放的工作条件。两个波形的正交性并不理想，这主要是因为输出阻抗匹配网络所带来的偏差。
图4功放漏极电流和漏极电压的曲线
依据仿真电路图，采用介电常数为2.65高频板材的制作实际电路版图，如图5所示。实验中采用了rfhic公司生产的rfc1g18h4-24芯片作为前极驱动放大器，使待测功率放大器的输入功率可以达到34dbm，测量中所用的衰减器的大小为32.5dbm。本文使用maxim公司生产的max868芯片，给电路提供所需的负偏置直流电压，经过仿真分析和调试优化，选择－9v电压作为电路的负偏置电压。
将功放的工作频率设为1ghz，在恒定输入功率为2.5w的情况下，改变功放的工作电压，研究功放的输出功率，漏极效率和附加效率相应的变化，得到的仿真结果和实验结果分别如图6，图7和图8所示。仿真结果和实验结果基本上是保持一致的，实验得出的数据要稍微低于仿真得出的数据，这是由于高频板材的不理想所造成。
图5 实际制作的e类功率放大器
从图6可看出，功放的输出功率随着工作电压的增大而增大，在35v时，仿真的输出功率达到47w，实验结果也达到了32.5w。图7显示，漏极效率的曲线基本是平稳的，说明输出功率受工作电压的影响不大，仿真结果在75％左右波动，实验结果在60％左右波动，其中在工作电压为15v时，可以达到最大效率68％。图8所示的是附加效率曲线，可以看到在10v到35v范围内功放的附加效率呈现出很好的平坦性，这可以给功放的实际应用带来很大的便利。
图6 输出功率随工作电压的变化曲线
图7 漏极效率随工作电压的变化曲线
图8 附加效率随工作电压的变化曲线
6 结论和展望 本文设计，仿真并制作了基于sic mesfet器件的l波段e类功率放大器，输入输出阻抗匹配电路均采用微带线实现。在工作电压设为35v，输入功率为2.5w的情况下，实际测量的输出功率可以达到32.5w，在频率为900mhz附近，漏极效率可以达到64％，增益可以达到10dbm。从以上特性可以看出，基于sic器件的e类功放具有很好的性能，在新一代的无线通信中将会有广阔的应用前景。
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2 e类功放原理 e类功率放大器的原理就是让晶体管工作在开关状态，使得晶体管漏极的电压和高流不同时出现，理论上漏极消耗的功率为0，则漏极效率可以达到100％。图1是典型的e类功率放大器原理图，其中rfc为高频扼流圈，s为等效晶体管开关，cshunt是晶体管的寄生输出电容和附加电容的总电容，l和c组成理想串联谐振回路，jx是补偿电抗，保证晶体管的漏极电压和漏极电流正交，r为等效负载电阻。这是集中参数元件构成的e类放大器，但在射频频段，微带线更适合应用于e类功放的设计中，本文研究的功放是工作在l频段，所以其中的高频扼流圈，串联谐振回路，补偿电抗，输入和输出阻抗匹配均采用微带线实现。
图1 e类功率放大器原理图
3 晶体管直流工作特性 sic mesfet具有很高的反向击穿电压，结电容很小，还有很好的热传导性。基于以上这些优点，近年来，sic mesfet在各种类型的功率放大器中得到越来越广泛的应用。由cree公司生产的sic 器件crf24010 和crf24060是第一批商用化的sic器件，它们的工作频率可以达到2.5ghz的上限。综合考虑以上各种因素，本文选择了cree公司生产的sic mesfet器件crf24060作为功放电路的有源器件。
直流偏置电压不仅能确保功放工作在所需的工作状态，还会对功放的最佳匹配负载和效率等参数产生影响。为了找到最佳直流电压值，使功放的效率达到最大，对晶体管的直流工作特性进行了仿真，仿真结果如图2所示。
图2 晶体管直流工作特性
4 输入输出匹配电路 输入阻抗匹配电路的设计使用ads的smith chart插件在smith圆图上直接设计匹配电路，这种方法操作起来简单方便，设计过程也很直观。先用ads仿真软件导入crf24060的大信号仿真模型，用s参数仿真器得到没有输入匹配阻抗时的s11参数，然后利用ads的单短线匹配工具设计电路，生成可以将阻抗值变换会50欧姆的匹配电路，最后进行手工调节，得到输入匹配电路如图3所示。
输出匹配电路的作用不仅是对输出阻抗进行匹配，还需对漏极的电压和电流进行相位调整，使得漏极电流和漏极电压不同时出现，使两者正交。在本文中先使用理想e类功放的经典设计公式设计出一个初步的匹配网络，然后再进行手动调整，使电路达到最佳匹配。
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图3 完整的ads仿真电路图
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