F類功率放大器漏極電壓研究

摘要 F類功率放大器實現高效率的基本原理，是利用輸出濾波器控制漏極輸出的電壓或電流波形。基于這一點，文中首先理論分析了在不同諧波比例下的漏極電壓波形，然后利用電磁仿真軟件進行驗證。結果表明，僅有三次諧波和基波組合在一起時，當三次諧波和基波電壓比K=0．111時，漏極電壓波形最平坦；當K接近0．4時，漏極電壓波形趨于方波。最后選擇合適的諧波比例，設計了一款功率附加效率最大值達到88．074％的F類功率放大器。
關鍵詞 F類；功率放大器；漏極電壓；功率附加效率

近年來，無論在全球移動通信系統、第三代移動通信系統、無線局域網等民用領域，還是在雷達、電子戰、導航等軍用領域，射頻功率放大器作為這些系統中的前端器件，對其低耗、高效、體積小的要求迅速增加。
眾所周知，功率放大器是射頻電路眾多模塊中功率損耗最大的，作為系統的核心和前端部分，它的效率將直接影響系統效率，因此效率問題成為現代功率放大器的研究熱點。在大多數功率放大器中，功率損耗的主要是晶體管損耗，主要由電壓和電流產生的，從而提出開關類功率放大器，主要有D類，E類和F類。其中F類功率放大器專門設計一個諧波網絡來實現漏極電壓和電流波形控制。理論上，F類功率放大器的漏極效率為100％，被稱為新一代功率放大器。

1 F功率類放大器的工作原理
傳統功率放大器由于輸出電路上的功率消耗，其工作效率很低。為增加傳統功率放大器的工作效率，理想的F類功率放大器使用輸出濾波器對晶體管輸出電壓或電流中的諧波成分進行控制，歸整晶體管輸出的電壓和電流波形。從而實現集電極電流的角度參數為90°，即保持集電極波形為半個正弦波，集電極電壓波形為方波，并且兩者的相位差是λ／4，這樣集電極電壓和電流的波形就沒有交疊區，從而達到100％的理想效率。
100％理想集電極效率的阻抗條件應是

滿足上述的阻抗條件實現的理想F類功率放大器的電壓和電流波形如圖1所示。

此時，如果驅動信號是一個占空比為50％的方波信號，晶體管可近似作為一個理想開關，晶體管輸出的電壓波形中包含各奇次諧波成分。流過開關的電流中僅包含有基頻頻率成分和各高階偶次諧波成分。這樣由奇次諧波的總和來近似方波的電壓波形，基波和偶次諧波的總和來近似半正弦波的電流波形。從而得到電壓和電流表達式如下


2 F類功率放大器的漏極電壓分析
F類功率放大器設計的基本原理是控制晶體管漏極的諧波電壓和電流信號，從而實現漏極電壓為方波信號，電流為半正弦波信號，這也是實現高效率的根本原因。
然而，在現實設計中難以對所有諧波都進行控制的理想F類模式，增加考慮諧波的次數會在較大程度上增加設計的難度，并且效率的提高并不明顯。在只考慮2次和3次諧波的情況下，最大效率可達81．7％。因此在分析中，只考慮3次以內的諧波。
僅有3次諧波和基波組合在一起時，漏極電壓如式(4)所示