1 引言

近年來各種通信技術迅猛發展，如何提高通信系統的效率成為重要的研究課題。射頻功率放大器是通信系統中消耗功率最多的器件，尤其在無線通信基站和衛星通信等應用領域中，提高射頻功放的效率可大大降低系統的消耗和節約能源，因此各種高效率功率放大器成為人們研究的熱點。作為高效率功率放大器的一種，E類功率放大器的基本模型最早由NATHAN O. SOKAL和ALAN D. SOKAL于1975年在文獻中提出。E類功率放大器的電路結構簡單，工作原理是把晶體管作為一種開關使用，使得漏極電流和電壓正交，繼而漏極消耗的功率為零，因此理論上的漏極效率可以達到100％。

早期的E類功放都是由集總參數元件所構成，但在微波頻段，集總參數元件損耗較大而不再適用，于是發展出了用微帶線替代集總參數元件的微帶E類功率放大器，微帶E類功放不但效率高，還能很好的抑制諧波能力，因此在微波頻段中得到了廣泛的應用。隨著對E類功率放大器的理論研究不斷深入，許多中分析和設計方法被提出，E類功放的電路結構得到不斷創新和改進，E類功放的效率和性能也得到很大提高。此外，隨著新型半導體功率器件的發展，尤其是SiC和GaN等寬禁帶半導體器件的出現，E類功放的效率也得到進一步的提升。本文采用SiC MESFET作為有源器件設計一個E類功率放大器，用ADS軟件對其進行了仿真分析和優化，并對實際電路板進行了測量，最后給出了仿真和實驗的結果分析。

2 E類功放原理

E類功率放大器的原理就是讓晶體管工作在開關狀態，使得晶體管漏極的電壓和高流不同時出現，理論上漏極消耗的功率為0，則漏極效率可以達到100％。圖1是典型的E類功率放大器原理圖，其中RFC為高頻扼流圈，S為等效晶體管開關，Cshunt是晶體管的寄生輸出電容和附加電容的總電容，L和C組成理想串聯諧振回路，jX是補償電抗，保證晶體管的漏極電壓和漏極電流正交，R為等效負載電阻。這是集中參數元件構成的E類放大器，但在射頻頻段，微帶線更適合應用于E類功放的設計中，本文研究的功放是工作在L頻段，所以其中的高頻扼流圈，串聯諧振回路，補償電抗，輸入和輸出阻抗匹配均采用微帶線實現。

圖1 E類功率放大器原理圖

3 晶體管直流工作特性

SIC MESFET具有很高的反向擊穿電壓，結電容很小，還有很好的熱傳導性。基于以上這些優點，近年來，SIC MESFET在各種類型的功率放大器中得到越來越廣泛的應用。由CREE公司生產的SIC 器件CRF24010 和CRF24060是第一批商用化的SIC器件，它們的工作頻率可以達到2.5GHz的上限。綜合考慮以上各種因素，本文選擇了CREE公司生產的SIC MESFET器件CRF24060作為功放電路的有源器件。

直流偏置電壓不僅能確保功放工作在所需的工作狀態，還會對功放的最佳匹配負載和效率等參數產生影響。為了找到最佳直流電壓值，使功放的效率達到最大，對晶體管的直流工作特性進行了仿真，仿真結果如圖2所示。

圖2 晶體管直流工作特性

4 輸入輸出匹配電路

輸入阻抗匹配電路的設計使用ADS的Smith Chart插件在Smith圓圖上直接設計匹配電路，這種方法操作起來簡單方便，設計過程也很直觀。先用ADS仿真軟件導入CRF24060的大信號仿真模型，用S參數仿真器得到沒有輸入匹配阻抗時的S11參數，然后利用ADS的單短線匹配工具設計電路，生成可以將阻抗值變換會50歐姆的匹配電路，最后進行手工調節，得到輸入匹配電路如圖3所示。

輸出匹配電路的作用不僅是對輸出阻抗進行匹配，還需對漏極的電壓和電流進行相位調整，使得漏極電流和漏極電壓不同時出現，使兩者正交。在本文中先使用理想E類功放的經典設計公式設計出一個初步的匹配網絡，然后再進行手動調整，使電路達到最佳匹配。

根據參考文獻［8］［9］可知，微帶E類功放在工作頻率處的最佳阻抗為：

（1）

并聯電容為

（2）

此處f取中心頻率1GHz，，由CREE公司提供的數據顯示CRF24060的Cds=5pF，于是Cshunt取5pF。代入公式（3）計算可得RL＝5.8Ω，X=6.7Ω

至此，已經算得輸出阻抗匹配電路所需的元件值。接下來利用ADS的單短線匹配工具設計出阻抗為5.8＋j6.7的負載，并將之變換到50Ω，最后得到的輸出匹配網絡如圖3所示。

圖3 完整的ADS仿真電路圖

5 仿真及實驗結果

采用諧波平衡法對電路進行仿真分析。首先要驗證功率放大器是否工作在E類狀態，這可以從晶體管漏極電流和電壓是否正交來確定。圖4是仿真得到的漏極電壓和電流的曲線，晶體管的漏極電流和電壓的峰值不同時出現，符合E類功放的工作條件。兩個波形的正交性并不理想，這主要是因為輸出阻抗匹配網絡所帶來的偏差。

圖4功放漏極電流和漏極電壓的曲線

依據仿真電路圖，采用介電常數為2.65高頻板材的制作實際電路版圖，如圖5所示。實驗中采用了RFHIC公司生產的RFC1G18H4-24芯片作為前極驅動放大器，使待測功率放大器的輸入功率可以達到34dBm，測量中所用的衰減器的大小為32.5dBm。本文使用Maxim公司生產的MAX868芯片，給電路提供所需的負偏置直流電壓，經過仿真分析和調試優化，選擇－9V電壓作為電路的負偏置電壓。

將功放的工作頻率設為1GHz，在恒定輸入功率為2.5W的情況下，改變功放的工作電壓，研究功放的輸出功率，漏極效率和附加效率相應的變化，得到的仿真結果和實驗結果分別如圖6，圖7和圖8所示。仿真結果和實驗結果基本上是保持一致的，實驗得出的數據要稍微低于仿真得出的數據，這是由于高頻板材的不理想所造成。

圖5 實際制作的E類功率放大器

從圖6可看出，功放的輸出功率隨著工作電壓的增大而增大，在35V時，仿真的輸出功率達到47W，實驗結果也達到了32.5W。圖7顯示，漏極效率的曲線基本是平穩的，說明輸出功率受工作電壓的影響不大，仿真結果在75％左右波動，實驗結果在60％左右波動，其中在工作電壓為15V時，可以達到最大效率68％。圖8所示的是附加效率曲線，可以看到在10V到35V范圍內功放的附加效率呈現出很好的平坦性，這可以給功放的實際應用帶來很大的便利。

圖6 輸出功率隨工作電壓的變化曲線

圖7 漏極效率隨工作電壓的變化曲線

圖8 附加效率隨工作電壓的變化曲線

6 結論和展望

本文設計，仿真并制作了基于SiC MESFET器件的L波段E類功率放大器，輸入輸出阻抗匹配電路均采用微帶線實現。在工作電壓設為35V，輸入功率為2.5W的情況下，實際測量的輸出功率可以達到32.5W，在頻率為900MHz附近，漏極效率可以達到64％，增益可以達到10dBm。從以上特性可以看出，基于SiC器件的E類功放具有很好的性能，在新一代的無線通信中將會有廣闊的應用前景。