F類與逆F類功率放大器的效率研究

摘要 為了對F類與逆F類功率放大器的效率進行研究，首先從理論方面對兩種放大器工作模式各自的效率進行了計算。通過計算可以看出，在相同的輸出功率下，因為晶體管導通內阻的存在，逆F類功率放大器的效率優于F類功率放大器。再通過軟件仿真設計F類和逆F類功率放大器，在相同的輸出功率下，逆F類功率放大器的最高漏極效率為91．8％，F類功率放大器的最高漏極效率為89．3％。
關鍵詞 F類；逆F類；功率放大器；漏極效率

隨著無線通訊系統的迅速發展，對高效率射頻功率放大器的需求逐漸增加。如何提高功率放大器的工作效率已成為一個重要課題。為提高效率，研究人員將大量精力專注于放大器的工作模式上，例如D類，E類，F類和逆F類功率放大器。F類和逆F類兩種模式的高效率功率放大器在近幾年成為研究焦點。文獻中采用F類工作模式效率達到75％，文獻中采用逆F類工作模式效率達到80％。兩者均采用GaN功率管CGH400 10，其1 dB壓縮點輸出功率約為10 W，不能滿足大輸出功率的要求。
針對1 dB壓縮點輸出功率為45 W的功率管CGH40045進行設計，分別設計出F類和逆F類兩款功率放大器，對兩種模式的功率放大器漏極效率進行比較，并對兩款功放的效率差異從理論和仿真兩方面做出了定量分析。

1 理論分析
圖1為F類和逆F類功率放大器漏極輸出端理想電壓和電流的時域波形。F類功放的漏極端電流為半正弦波，電壓為方波；相反的逆F類功放的漏極端電流為方波，電壓為半正弦波。兩者相反的漏極電壓和電流波形對放大器的效率會產生不同的影響，以下是在理想情況下分別計算兩種放大器工作效率，兩種波形都可以通過傅里葉級數展開式展開，從而可以方便地對直流信號、基波信號和各次諧波信號進行分析。

首先分析F類功率放大器，將其電壓和電流波形通過傅里葉級數展開，各變量如圖1所示。

根據傅里葉展開式分別計算出直流信號的功率和基波信號的功率，從而求出F類功率放大器的效率，其中，Ron為晶體管導通內阻。