摘 要： 开关模式E类功率放大器的理论效率可达100%，可用于天气雷达发射机系统中。采用GaN HEMT器件，设计了一个在2.8 GHz频点下的E类功率放大器，输出功率达到40 dBm，PAE为67%，增益为13 dB。此外，设计的微带负载网络对谐波进行了有效抑制。
射频功率放大器在雷达、通信、卫星导航等系统中都有着广泛的应用。现代雷达系统出于小型化和集成化考虑，要求尽量减少直流功耗、提高系统性能，提高射频功率放大器的效率将有效降低电源消耗和散热需求，直接改善发射机系统的性能。
由SOKAL N O提出的E类功率放大器不仅电路结构简单，而且理论上具有高达100%的漏极效率[1]。但早期的功率放大器设计受到半导体材料及工艺限制，高效率设计方面存在较大缺陷，新材料新工艺器件的出现有效地克服了这些缺陷。采用新型半导体器件，结合微带线设计E类功率放大器具有效率和谐波抑制度高的优点[2]，可以得到良好的设计结果。
本文针对S波段天气雷达发射机中速调管的固态激励，采用新型半导体器件，设计了一个2.8 GHz频点下，具有10 W输出的微带线E类功率放大器电路，给出了微带负载网络的设计理论、设计过程以及仿真结果与测试分析。
1 工作原理
常用的E类功率放大器电路输出负载回路是由并联电容、串联电感、LC谐振回路和负载阻抗组成。在理想的情况下，功率管截止时，漏极电压在漏极电流等于零以后才开始上升；而功率管导通时，漏极电流在漏极电压为零以后才开始出现。功率管从导通至截止或从截止至导通的开关期间，漏极电压和电流不会同时出现。这样，漏极上无功率损耗，理想效率为100%[3]。
电源通过RF扼流圈馈电到MOS管漏极，此RF扼流圈对基波频率具有高电抗，可以认为只允许直流电流通过；并联电容包含了功率管内部的输出电容和加在负载网络的外部电容两部分。
对于图1所示的拓扑结构，其元件参数的理论值可由以下公式确定[3]：
其中，QL为电路品质因数，为工作频率，VDD为漏端电压，RL为满足功放设计需要的最佳负载电阻。
2 功放电路设计
由于E类功放对功率晶体管在开关速度、功率容量和漏极击穿电压等方面要求较高，在大功率和高频率场合常采用GaN HEMT器件[4]，故本文选用Cree公司的CGH40010F，根据E类功放的设计原理与方法，在ADS环境下进行仿真设计。
仿真设计过程主要步骤为：静态工作点的确定，结构电路设计（阻抗匹配、偏执电路等），电路参数的仿真与优化[5]。根据设计步骤，首先对功放管进行了直流特性仿真，通过仿真结果，选取VGS=-3 V，VDS=26 V。然后对功放管进行负载牵引和源牵引仿真，寻找最佳负载阻抗和源阻抗进行匹配。结合理论公式求得各元件理论值，得到集总参数匹配结构。根据微波理论，并联电容可用开路短截线实现，串联电感可用串接微带线，这样就设计出了微带线匹配网络。
为了提高效率，E类功放电路的输出匹配拓扑结构可参考F类功放工作模式，实现电压逼近方波，电流近似为半正弦波的条件。这种模式的匹配结构可对谐波进行负载阻抗抑制，提高漏极效率[6]。E类模式的开关电压波形较好，只需对低次谐波进行抑制即可[2]，本设计针对二、三次谐波进行了抑制。谐波抑制主要由1/4波长微带线完成，开路线的电长度分别选择为频率2fc、3fc的1/4波长，这样，开路线在相应的谐波点呈现为低阻抗，起到抑制二、三次谐波的效果，同时也成为了阻抗匹配网络的组成部分。
整体结构如图2所示，这种结构优点明显，不仅实现了电路的阻抗匹配，又抑制了谐波分量，同时保证了E类放大器的最佳工作模式。
3 仿真与测试分析
将整体电路结构在ADS平台下进行仿真，扫描功放管漏极电压、电流的时域波形，结果如图3所示。漏极电压与电流波形相互交错，避免了峰值电压与峰值电流的同时出现，这说明功放管上消耗的功率较少，放大器工作在较理想的高效状态下，仿真结果满足开关E类功率放大器的工作特点。
对整体网络进行S参数优化，并手动调谐1/4波长偏置微带线的长度，以获得更好的电路性能。最终仿真结果显示，在输入功率为27 dBm时，功放的输出功率约为40.2 dBm，增益约为13.2 dB，已满足预期10 W的设计指标（如图4所示）。而此时漏极效率高达76.9%，功率附加效率（PAE）约为73%（如图5所示）。对电路进行谐波平衡扫描，得到二、三次谐波在各功率点输入时，抑制皆在60 dBc以上。
根据仿真确定的微带电路，生成相应的版图，并进行版图优化，最终制作电路板。本设计电路板采用ROGERS4350板材，板厚30 mil，实际介电常数为3.48，仿真使用介电常数3.66。经实物测试，在输入功率为27 dBm时，功放输出基本达到10 W，漏极效率约为71%，附加效率约为67%，二、三次谐波抑制在48 dBc以上。与仿真结果相比，实际输出功率略微偏小，效率和谐波抑制都偏低一些。但考虑到电路寄生参数、加工精度以及测试设备损耗等影响，实测值偏差在正常范围内，与仿真值有很好的一致性，整体效果良好。
本文针对S波段天气雷达中固态功率放大器效率较低的问题，引入开关模式E类功率放大器替代传统功率放大器，并结合新型GaN器件，成功研制了在2.8 GHz频点下的高效E类功率放大器。结果表明，该放大器输出功率能够满足实际需要，且附加效率达到67%，明显优于传统类型放大器，对天气雷达发射机系统的发展具有积极的作用。
参考文献
[1] SOKAL N O， SOKAL A D．Class E a new class of high efficiency tuned singl-ended switching power amplifiers[J]．IEEE J. Solid-State Circuits．1975，10（3）： 168-176.
[2] Andrei Grebennikov．射频与微波功率放大器设计[M]．张玉兴，赵宏飞，译．北京：电子工业出版社，2006.
[3] RAAB F H. Idealized operation of the Class E tuned power amplifier[J]． IEEE Transactions on Circuits and Systems．1977，24（12）：725-735.
[4] 游飞．E类功率放大器研究[D].成都：电子科技大学，2009.
[5] 南敬昌，刘元全，高泽华．基于ADS软件的射频功率放大器仿真实现[J]．电子技术应用，2007，33（9）：110-112.
[6] 安士全，曹锐．一种宽禁带器件的高效E类功率放大器设计[J]．中国电子科学研究院学报，2012（4）：212-215.