摘要：研究了(le) F類射頻(pín)功率放大(dà)器的(de)電路結構與工作原理(lǐ)，并設計了(le)一個(gè)工作頻(pín)段爲405 ~ 415 MHz、輸出功率爲30 dBm、功率附加效率達到65%的(de)高(gāo)效率低諧波失真的(de)F類對(duì)講機功率放 大(dà)器。爲了(le)達到設計指标，設計采用(yòng)了(le)一些特殊的(de)方法，包括采用(yòng)兩級單端結構功率放大(dà)器結 構、F類功率放大(dà)器輸出匹配網絡，并針對(duì)諧波失真過大(dà)進行了(le)片外濾波器的(de)設計，有效地濾除 了(le)諧波（各階諧波小于-69 dBc)。最後采用(yòng)2pmGaAsHBT工藝F類對(duì)講機功率放大(dà)器，經過對(duì) 實際芯片的(de)測試證明(míng)結果完全滿足設計指标。

關鍵詞：F類射頻(pín)功率放大(dà)器；單端結構；輸出匹配網絡；諧波失真；片外濾波器

中圖分(fēn)類号：TN722 文獻标識碼：A 文章(zhāng)編号：1003-353X (2009 ) 03-0295-04

Design and Realization of High Efficiency Class F Power Amplifier for

Interphone Application

Nan Jingchang, Liu Lei

(School of Electrics and Information Engineering, Liaoning Technical University, Hidudao 125105, China)

Abstract: Circuit structure and working principle of the Class F power amplifier were presented，a high efficiency and low THD power amplifier for interphone application was designed, working at 405-415 MHz, output power 30 dBm，and PAE 65 %，some special methods were used in the design，including the two-stage single end structure power amplifier, output match net of Class F power amplifier, and the design of out of chip filter for big THD，disposing the THD effectively (THD is under - 69 dBc) . At last，the Class F power amplifier is implemented with 2 pm GaAs HBT technology. After testing of the real chip，it proves the results fulfill the design goal.

Key words： Class F power amplifier; single end structure; output match net; THD; filter out of chip

EEACC： 1220

o引言

無線電對(duì)講機的(de)應用(yòng)非常廣泛，即時(shí)溝通(tōng)、一 呼百應、經濟實用(yòng)、運營成本低、不耗費通(tōng)話(huà)費 用(yòng)、節約使用(yòng)方便，同時(shí)還(hái)具有組呼通(tōng)播、系統呼 叫、機密呼叫等功能。在處理(lǐ)緊急突發事件中，在 進行調度指揮中其作用(yòng)是其他(tā)通(tōng)信工具所不能比拟 的(de)。無線電對(duì)講機和(hé)其他(tā)無線通(tōng)信工具（如手機）

其市場(chǎng)定位各不相同，難以互相取代，還(hái)将長(cháng)期使 用(yòng)下(xià)去。數字通(tōng)信可(kě)以提供更豐富的(de)業務種類、更 好的(de)業務質量、更好的(de)保密特性、更好的(de)連接性和(hé) 更高(gāo)的(de)頻(pín)譜效率⑴。

功率放大(dà)器的(de)設計對(duì)于對(duì)講機的(de)性能有著(zhe)重要 的(de)影(yǐng)響。針對(duì)對(duì)講機對(duì)飽和(hé)輸出功率、功率附加效 率、諧波失真等幾個(gè)特性指标要求較高(gāo)的(de)特點，設
計采用(yòng)F類功率放大(dà)器工作模式來(lái)提高(gāo)效率，針對(duì) 設計過程中諧波失真過大(dà)的(de)問題，提出了(le)一種諧波
最後采用(yòng)2 [im GaAs HBT工藝實現了(le)高(gāo)效率F類對(duì) 講機功率放大(dà)器。
1 F類功率放大(dà)器工作原理(lǐ)

F類功率放大(dà)器使用(yòng)輸出濾波器對(duì)晶體管集電 極電壓或者電流中的(de)諧波成分(fēn)進行控制，歸整晶體 管集電極的(de)電壓波形或者電流波形，使得(de)它們沒有 重疊區(qū)，減小開關的(de)損耗，提高(gāo)功率放大(dà)器的(de)效率。

如果驅動信号是一個(gè)占空比爲50%的(de)方波信 号，晶體管可(kě)近似作爲一個(gè)理(lǐ)想開關，集電極看到 的(de)基頻(pín)阻抗爲Rl’高(gāo)階奇次諧波阻抗爲無窮大(dà)，而 高(gāo)階偶次諧波阻抗爲0。因此晶體管集電極的(de)電壓

波形中将包含有各奇次諧波成分(fēn)，它是一個(gè)理(lǐ)想的(de) 方波。由于晶體管集電極看到的(de)各高(gāo)階奇次諧波阻 抗爲無窮大(dà)，而各高(gāo)階偶次諧波阻抗爲0，因此流 過開關的(de)電流中僅包含有基頻(pín)頻(pín)率成分(fēn)和(hé)各髙階偶 次諧波成分(fēn)。在傳統功率放大(dà)器分(fēn)析中，巳經知道 B類放大(dà)器中流過輸出晶體管的(de)電流就僅具有這(zhè)些 成分(fēn)，因此F類放大(dà)器流過開關的(de)電流波形與B類 放大(dà)器的(de)電流波形一樣，也(yě)是半個(gè)周期的(de)正弦波。 流過開關電流中的(de)基頻(pín)成分(fēn)在負載Rl上産生輸出功 率，而其他(tā)髙階偶次諧波成分(fēn)則由LC并聯諧振網絡 短路到地，因此負載上的(de)電壓波形和(hé)電流波形都是 理(lǐ)想的(de)正弦波，沒有諧波損耗[2]。

晶體管集電極電壓的(de)峰值爲2Fd。，基頻(pín)成分(fēn)的(de) 幅度爲

n - 7 ^dc (1)

如果流過開關的(de)電流峰值爲/pk，則這(zhè)個(gè)電流中 的(de)基頻(pín)成分(fēn)和(hé)直流成分(fēn)分(fēn)别爲

/1=孕

晶體管的(de)寬度應根據最大(dà)電流要求/-來(lái)确定。 而優化(huà)負載阻抗值爲 R

op,_ A、/pk F類放大(dà)器的(de)輸出功率爲

^out 一 兀 ^dc ,pk

電源提供的(de)直流功耗爲

^dc _ ^dc ^dc —兀 ^dc ^pk 一 ^out

因此理(lǐ)想F類放大(dà)器的(de)效率爲100%。

F類放大(dà)器的(de)功率利用(yòng)因子爲
設計難點在于高(gāo)效率、低諧波的(de)設計目标，因 此電路采用(yòng)了(le)開關模式功率放大(dà)器中的(de)F類工作模 式，并對(duì)諧波進行了(le)優化(huà)。圖2爲F類功率放大(dà)器 輸出濾波器網絡。

爲了(le)滿足輸出功率iw的(de)設計指标，輸出阻抗 7?一選擇5£1。由于要提高(gāo)效率，設計的(de)輸出網絡爲 F類功率放大(dà)器采用(yòng)的(de)輸出濾波器網絡，這(zhè)個(gè)網絡 的(de)特點是：晶體管工作時(shí)，在高(gāo)階奇次諧波頻(pín)率處, 從晶體管漏端看到的(de)高(gāo)階奇次諧波阻抗爲無窮大(dà)， 即開路；在高(gāo)階偶次諧波頻(pín)率處，從晶體管漏端看 到的(de)髙階偶次諧波阻抗爲0，即短路。圖3爲輸出匹 配網絡的(de)仿真結果，從仿真結果可(kě)以看出，輸出網 絡對(duì)二次諧波進行了(le)濾除，二階諧波的(de)阻抗很小, 接近Ofl;三階諧波的(de)阻抗很大(dà)，可(kě)視其爲無窮大(dà), 滿足設計的(de)理(lǐ)論要求。
圖3輸出匹配網絡仿真結果 Fig.3 Simulation results of output matching
3電路仿真與諧波優化(huà)

本次設計采用(yòng)Agilent公司的(de)ADS軟件對(duì)電路進 行了(le)仿真和(hé)優化(huà)，晶體管采用(yòng)2 pm GaAs HBT工藝 的(de)Guramel-Poon模型，這(zhè)裏不再對(duì)模型的(de)建立與參 數的(de)提取進行討(tǎo)論，把重點放在仿真的(de)結果和(hé)電路 的(de)優化(huà)方面[4]。對(duì)以上設計電路進行仿真後得(de)到以 下(xià)結果，雖然在輸出功率、增益和(hé)效率方面已經滿 足設計要求，但是諧波失真仍然較大(dà)，不能滿足設 計要求。所以，這(zhè)裏對(duì)諧波失真進行了(le)優化(huà)，在片

它的(de)最大(dà)輸出功率比A類放大(dà)器高(gāo)約1.05 dB[3]。

2電路設計

爲了(le)滿足設計指标，電路采用(yòng)兩級單端功率放 大(dà)器級聯結構，圖1爲功率放大(dà)器結構框圖。

4版圖設計

版圖設計使用(yòng)Cadence公司的(de)軟件工具Virtuoso。 器件采用(yòng)THQuint公司提供的(de)2 fim GaAs HBT工藝。 其中放大(dà)電路中使用(yòng)的(de)晶體管采用(yòng)射頻(pín)模型，這(zhè)樣 可(kě)以提高(gāo)設計射頻(pín)電路的(de)準确性。

對(duì)于一個(gè)單片集成射頻(pín)功率放大(dà)器，良好的(de)版 圖設計十分(fēn)重要。因爲通(tōng)過并聯HBT管的(de)電流很 大(dà)，HBT管特性微小的(de)不同，或者位置放置的(de)微小 差錯都會導緻在個(gè)别管子不平衡的(de)熱(rè)效應。在此設 計中，把管子畫(huà)成一排來(lái)平衡輸人(rén)、輸出相位補償。 爲了(le)減少耦合，射頻(pín)線的(de)距離不應太近，最好可(kě)以 用(yòng)直流線隔開。兩級管子不要共用(yòng)一個(gè)地孔，因爲 地孔到襯底的(de)耦合效應等效爲電感，使兩級管子之 間産生反饋，嚴重影(yǐng)響功率放大(dà)器的(de)性能。片上螺 旋電感和(hé)走線要采用(yòng)上層金屬，可(kě)以減少電阻線本 身的(de)寄生電阻，同時(shí)減少襯底與電感之間的(de)電磁場(chǎng) _合在襯底中引入的(de)損耗[5]。設計規則要嚴格按照(zhào) THQuint公司提供的(de)設計手冊要求。電路版圖面積爲 560 fxm x 540 fim0

5實驗結果與討(tǎo)論

爲了(le)測試芯片的(de)性能，需要對(duì)PCB測試版進行 細緻的(de)設計，防止測試時(shí)對(duì)芯片性能産生影(yǐng)響。射 頻(pín)電路PCB的(de)設計應考慮電磁兼容性，在這(zhè)裏主要 討(tǎo)論一下(xià)闆材的(de)選擇和(hé)一些重要走線的(de)處理(lǐ)方法， 并應用(yòng)Protel 99 SE對(duì)其進行了(le)設計。

印制電路闆的(de)基材主要有有機類與無機類兩大(dà) 類，而基材中最重要的(de)性能是介電常數，它影(yǐng)響電 路阻抗及信号傳輸速率，對(duì)于高(gāo)頻(pín)電路，介電常數 公差是首要考慮的(de)更關鍵因素，應選擇介電常數公 差小的(de)基材[6]。本設計中采用(yòng)的(de)是RF-4闆材，2層 闆，闆厚1mm。射頻(pín)走線要遵循50 傳輸線的(de)設計 原則，對(duì)于不同闆材，可(kě)以用(yòng)Appcad軟件來(lái)計算(suàn)線 寬和(hé)線到地距離，在滿足射頻(pín)走線爲50 fl的(de)條件 下(xià)，走線線寬爲40 mm，線到地距離30 mm,同時(shí)在 射頻(pín)線兩側要盡量多(duō)的(de)打上地孔，位置靠近傳輸線 但不超出地銅箔，意在利用(yòng)多(duō)層銅箔通(tōng)過過孔并聯 獲得(de)較低阻抗和(hé)較短的(de)高(gāo)頻(pín)電流傳輸路徑。

圖6爲電源電壓爲3.6 V時(shí)實際芯片的(de)測試結 果，從圖中可(kě)以看出工作頻(pín)率爲410 MHz時(shí)輸出功

6結論

本文簡要介紹了(le) F類射頻(pín)功率放大(dà)器的(de)工作原 理(lǐ)，設計了(le)一個(gè)電源電壓爲3.6 V，工作頻(pín)段爲405 -415 MHz,輸出功率爲30 dBm的(de)F類對(duì)講機功率 放大(dà)器，在諧波失真較大(dà)時(shí)提出了(le)一種優化(huà)的(de)方 法，明(míng)顯改善了(le)諧波失真。功率放大(dà)器的(de)工藝采用(yòng) 2 GaAs HBT工藝。功率放大(dà)器電路采用(yòng)Agilent 公司的(de)ADS軟件對(duì)電路進行了(le)仿真和(hé)優化(huà)，并給 出了(le)仿真結果；采用(yòng)Cadence公司的(de)軟件工具 VirtuosoS版圖進行設計，最終給出實際芯片的(de)測 試結果，其中在410 MHz的(de)工作頻(pín)率下(xià)，輸出功率 爲30 dBm,增益爲22 dBm，功率附加效率爲66%， 各階諧波均小于-69 dBm,完全滿足設計指标。