射頻電路課程考核設(shè)計--報告

1、合肥師范學(xué)院2016屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 射頻電路課程考核設(shè)計題目： 寬頻帶大功率放大器研究 學(xué) 院 電子信息工程學(xué)院 學(xué)科門類 工 學(xué) 專 業(yè) 電子信息工程 學(xué) 號 1208421026 姓 名 xxxx 指導(dǎo)教師 倪春 2016年03月26日合肥師范學(xué)院2016屆本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）摘 要隨著時代飛速的進(jìn)步，信息傳輸潛移默化地影響著我們的吃穿住行，因此人類對于無線通信的要求也在不斷提高，已經(jīng)不再僅僅滿足于基礎(chǔ)的通話需求。人們對于更復(fù)雜完善強(qiáng)大的通信系統(tǒng)的需要變得日漸緊迫，有需求就存在著寬闊的發(fā)展前景與巨大的商機(jī)，科技的進(jìn)步就是為了更好地滿足人類的需求，功率放大器作為現(xiàn)當(dāng)代無線通訊系統(tǒng)

2、收發(fā)端的核心部分同時是整個系統(tǒng)中功率損耗最大的部分，就是這樣一個可以節(jié)約成本具有發(fā)展前景的研究領(lǐng)域。這次本課題將利用在通信領(lǐng)域被大家廣泛使用的CREE公司的GaN HEMT晶體管，其型號是CGH40010F，本文會在在該晶體管的基礎(chǔ)上完成對S波段寬頻帶逆 F 類放大器的理論研究和深入分析以及介紹一個簡單的逆F放大器的制作。本文先對放大器進(jìn)行分析與探討以及研究，接著從理論方面分析逆 F 類功率放大器為什么會具有高效率。以上這些都是為S波段逆F類功率放大器的具體設(shè)計與實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。結(jié)尾完成實物電路模型的加工與測試，借助各項設(shè)備和儀器驗證此次射頻高效率逆F類功率放大器的設(shè)計是否符合要求。從結(jié)果看來，

3、得到的放大器工作與軟件仿真結(jié)果基本一致且性能基本滿足設(shè)計要求，證明了此次研究方向的可行性。關(guān)鍵詞: S波段；寬頻帶；逆F類放大器；ADSIII目 錄摘要II1. 引言21.1研究背景及科學(xué)意義21.2超寬帶通信簡介22. 超寬帶天線概述42.1超寬帶天線歷史42.3 天線的重要參數(shù)52.4 超寬帶天線的設(shè)計指標(biāo)62.5 天線的數(shù)值分析方法63. 超寬帶微帶天線的設(shè)計73.1超寬帶微帶天線的設(shè)計73.2 阻帶帶寬83.3 幅頻特性93.4天線增益104. 總結(jié)11參考文獻(xiàn)12致 謝13III合肥師范學(xué)院射頻電路課程考核設(shè)計1. 引言1.1課題背景二十世紀(jì)時，意大利的馬可尼驗證了電磁波具有攜帶傳播

4、信息的能力。人類社會開始進(jìn)入無線通訊時代。傳統(tǒng)通訊業(yè)務(wù)僅包含語音通話。伴隨著人類社會文化活動的發(fā)展和豐富,新型的業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)且廣受用戶青睞。作為收發(fā)信機(jī)中最主要的耗能部件,功率放大器如果不能高效工作,必然引起資源損耗加重溫室效應(yīng)，等等問題都會出現(xiàn)，增加成本?？梢砸姷?低效率的功率放大器顯然不符合當(dāng)今以節(jié)能減排,生態(tài)環(huán)保為主旨的發(fā)展趨勢要求。1.2寬頻帶諧波類放大器的發(fā)展現(xiàn)狀因為本次研究的逆F類放大器在電路中添加了諧波抑制電路，屬于寬頻帶諧波類放大器，且目前國內(nèi)對F功放的研究還不夠成熟普遍，為了大家便于理解諧波類放大器，此次介紹研究現(xiàn)狀沒有僅僅是介紹逆F類放大器的發(fā)展情況，而是對整個諧波類放大器

5、進(jìn)行介紹。GaN HEMT相比于其他半導(dǎo)體材料具有高截止頻率,大功率密度,高擊穿電壓等優(yōu)點(diǎn)，因此得以受到研究人員們的廣泛青睞,在諧波控制類功放模塊設(shè)計中作為熱門器件備受矚目。最近一段時間,經(jīng)?？梢栽趪鴥?nèi)外期刊會議上聽到采取半導(dǎo)體結(jié)合諧波控制技術(shù)的工藝來達(dá)到高功放的成果發(fā)表的報道。2008-2011年期間,加拿大卡爾加里大學(xué)的David Wu釆用卡爾公司的GaN HEMT CGH40010晶體管作為功放核心設(shè)計出的逆F類功率放大器在3.27GHz時其峰值效率最大已經(jīng)能達(dá)到71%1。日本東京電氣通信大學(xué)的研究人員們在F類放大器的理論基礎(chǔ)上設(shè)計出了在C波段漏極效率為71.4%的GaN功放模塊2。20

6、10年末，美國科羅拉多大學(xué)的M. Roberg選用Triquint公司的碳化硅基氮化鎵裸片,實現(xiàn)了一款應(yīng)用于WCDMA下行鏈路的逆F類功率放大器,其功率附加效率超過了80%,這代表著目前高效率功放設(shè)計的最高水平3。從上面結(jié)果看,半導(dǎo)體工藝的逐漸發(fā)展成熟帶動了諧波類高效率功放的發(fā)展。并且,由于其在各領(lǐng)域適用性,諧波類功放技術(shù)在業(yè)界已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注從而使得這一領(lǐng)域的研究具有寬廣的發(fā)展前景。然而,在諧波控制基礎(chǔ)上提升功放效率的技術(shù)在理論研究與實際操作中雖然已經(jīng)取得了一些成果和進(jìn)展,但仍存在許多問題與難點(diǎn)亟待解決，如何更加有效地將諧波控制理念融入系統(tǒng)設(shè)計中仍然方興未艾。1.3本論文的研究內(nèi)容本論文

7、是對諧波類PA展開研究。以逆F類為代表,學(xué)習(xí)諧波類高效率功放相關(guān)知識。同時探索該類功放在S波段的效率。然后,通過ADS仿真結(jié)合實際電路驗證理論推導(dǎo)以及設(shè)計方案的合理性與可靠性。本文具體的章節(jié)安排如下： 第一章，緒論。本章內(nèi)容包括：課題背景，寬頻帶諧波類放大器的研究現(xiàn)狀以及本論文的研究內(nèi)容及安排介紹，讓大家首先對本課題有一個初步印象和大致了解。第二章，射頻功放基本理論與分析方法。本章由三部分內(nèi)容構(gòu)成，分別是功率放大器的基本理論，逆F類放大器的分析和S波段寬頻帶逆F類放大器的設(shè)計。S波段寬頻帶逆F類放大器的設(shè)計由S波段寬頻帶介紹，設(shè)計指標(biāo)和寬帶高效率功率放大器實現(xiàn)的思路和計劃三小節(jié)構(gòu)成。 第三章，

8、S波段逆F類放大器的仿真及優(yōu)化分析。本章由四部分內(nèi)容構(gòu)成，分別是對制作的逆F放大器的原理分析和實現(xiàn)思路，詳細(xì)說明了該放大器為何能實現(xiàn)高效率的原因和實現(xiàn)高效率的思路。本章是運(yùn)用ADS軟件構(gòu)建電路，在第二章的理論基礎(chǔ)上設(shè)計出一個簡單的逆F類放大器。第4章 ，實物加工。本章由兩部分內(nèi)容構(gòu)成，分別是實物S波段寬頻帶逆F類放大器的加工，實物S波段寬頻帶逆F類放大器的測試和測試結(jié)果與仿真結(jié)果的對比分析。本章是在第三章的基礎(chǔ)上，將用軟件仿真得到的逆F類放大器加工成實物，并將兩者結(jié)果進(jìn)行對比。第五章，總結(jié)。對設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行一個整體的回顧，闡述自己的心得體會，反思設(shè)計中的不足，從而使自己以后不再犯類似錯誤。第六章

9、，感謝?；仡欁约罕敬卧O(shè)計的歷程，感謝幫助過自己的人。2. 射頻功率放大器的基本理論及分析本章分為八個部分，包括放大器的基本理論，功率放大器的分類，S波段寬頻帶逆F類PA設(shè)計等，一共八節(jié)，從理論方面介紹了本次設(shè)計的研究內(nèi)容。前兩小節(jié)主要是介紹功率放大器的基本知識，包括功率放大器的主要研究指標(biāo)和分類以及其常用分析方法，因為本課題研究的僅僅是功率放大器中的一個枝節(jié)，為節(jié)約不必要的時間和精力，故只是通過兩小節(jié)介紹，不再進(jìn)行詳細(xì)說明。本論文主要是研究并學(xué)習(xí)逆F類放大器的相關(guān)知識，旨在明白放大器的工作原理及逆F類放大器是如何實現(xiàn)信號的高效率放大的原因等知識。因為研究的側(cè)重點(diǎn)不同，本章重點(diǎn)從2.1,2.2和

10、2.3三個小節(jié)對逆F類放大器進(jìn)行介紹和分析：一是簡單對逆F類放大器發(fā)展與應(yīng)用的歷史進(jìn)行說明；二是分析逆F類PA工作原理；三是介紹常用的幾種逆F類放大器分析方法。本章最后三小節(jié)主要介紹三個方面，一是介紹了S波段寬頻帶的定義，二是簡述了放大器設(shè)計的一些設(shè)計指標(biāo)，三是闡述了本次寬帶高效率功率放大器實現(xiàn)的路和計劃。第三方面又包括設(shè)計路線及晶體管的選擇分析和最佳匹配點(diǎn)的確定兩部分內(nèi)容。2.1功率放大器的主要研究指標(biāo)射頻功放通常只在一定工作頻帶內(nèi)穩(wěn)定工作。不僅僅是這一限制條件，有些還要求輸出端諧波分量因為系統(tǒng)工作時往往會存在著許多諧波分量。這些會對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。這些限制因素在放大器的研究中，都需要被考慮，

11、否則生產(chǎn)出的功率放大器在實際運(yùn)用中將不具有實際操作性和實用性，不能滿足通信等領(lǐng)域的系統(tǒng)的切實需求。因此，本文羅列了一些在設(shè)計中可能需要滿足的主要研究指標(biāo)供大家參考。1工作頻帶 工作頻帶指放大器能夠滿足一系列性能參數(shù)要求，保持穩(wěn)定工作狀態(tài)條件時的工作頻率范圍4。2輸出功率 射頻功率放大器的輸出功率一般有兩種：1dB壓縮點(diǎn)輸出功率P1dB和飽和輸出功率 Psat3。3效率和功率附加效率 效率沒考慮射頻輸入信號的變化故不能精確描述功放性能。通?？紤]的是功率附加效率。功率附加效率又稱為PAE。它表征了放大器直流功率利用率和在一定直流功率消耗下射頻功率輸出增加的能力4。同時在一定程度上反映了功率放大器的

12、增益變化。由定義可以看出PAE的值也反映了功放的增益指標(biāo)。因此,用PAE衡量功放性能更加全面。4非線性分析 電路由于其中元器件的非線性特性，必然會引起信號的失真，一般有諧波失真和互調(diào)失真。由器件的轉(zhuǎn)移特性的導(dǎo)數(shù)決定的失真稱之為互調(diào)失真。功率放大器在一般設(shè)計中通常會考慮到其輸出端的三階互調(diào)失真因該失真對放大器的工作性能影響較大。下圖給出了交調(diào)失真原理示意。圖2-1放大器交調(diào)失真原理圖2.2功率放大器的分類按照工作方式，功率放大器可分為線性和非線性。線性PA輸出輸入信號關(guān)系成比例，因為其產(chǎn)生的諧波信號與輸入輸出信號相比十分微弱所以可以忽略不計。非線性正好相反。功率放大器也可以分為偏置類和開關(guān)類兩種

13、。偏置類放大器根據(jù)其靜態(tài)工作點(diǎn)位置分為 A、B、AB類和C類放大器。開關(guān)類功率放大器可以分為E、D 、F 類和逆F類，還有不常見的G、H類等。E類是一個眾所周知的諧振轉(zhuǎn)換器，可以在頻率中以非常高的效率操作同時產(chǎn)生高達(dá)幾千瓦的功率。然而，E類拓?fù)涞闹饕秉c(diǎn)在于其電壓晶體管的高峰值，在0.5占空比的直流電源電壓時它的峰值可以達(dá)到3.5倍4。因此，E類逆變器的晶體管在相同電壓和電流應(yīng)力時比其它諧振逆變器產(chǎn)生的功率更少。對于F類和D類放大器，它們的晶體管電壓波形是方波，峰值與平均值的比只有2。為了降低晶體管的電壓峰值，可以引入兩種解決方案。他們都需要在基本E類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中加入附加電路和保證同樣的軟開關(guān)條

14、件。在第一個解決方案適用于低功率放大器，需要把齊納二極管或變壓器作為一個二極管添加進(jìn)去。第二種解決方案可用于所有功率級別放大。即本次所關(guān)注的逆F類放大器。2.3 逆F類放大器的介紹說明直流功率消耗的效率是射頻前端設(shè)計在手持設(shè)備以及基站的應(yīng)用中的一個重要設(shè)計目標(biāo)。高功效不但能提高使用時間而且能簡化冷卻系統(tǒng)的步驟。為了容易理解，先從大家相對熟悉的F類放大器說明。 F類功放的漏極電壓電流為方波和正弦波。而逆F類功放與之相反。在逆F類放大器的操作中，通常把晶體管偏置在AB類并且把調(diào)諧電路插在輸出匹配網(wǎng)絡(luò)（OMN）之前通過特定阻抗的條件以抑制不需要的諧波，此時放大器的短路阻抗終端接奇次諧波時偶次諧波端接

15、開路阻抗5。逆F類放大器波形圖2-2示。圖 2-2逆F類放大器波形圖比較早一點(diǎn)的時候逆F類功率放大器因為自身特有的高輸出電壓峰值,其發(fā)展?fàn)顩r不是很好。近幾年,隨著氮化鎵工藝器件的出現(xiàn)與逐漸發(fā)展成熟,功率放大器中的晶體管所能承受的漏源電壓上限得到顯著提高,這使得逆F類功放受電壓峰值的影響而產(chǎn)生的局限性不復(fù)存在。另一方面,在同等條件下對兩種放大器進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)逆F類功放性能甚至優(yōu)于F類，這些都使得人們對逆F類功放的研究熱情再次上漲。2.4 逆F放大器的工作原理逆F類與典型逆F類相比就像是交換了典型F類功放的電流和電壓的波形。基波與奇次諧波電流構(gòu)成了近似的方波電流，此時漏極電壓電流間沒有交疊。逆F類

16、是雙調(diào)諧F類。這種電壓和電流波形交換的影響,隨著調(diào)諧波數(shù)量的增加,電壓波形越來越像半正弦波,電流波形越來越像一個方波67。最近的一些研究表明，逆F類的功效毫不遜色于F類，雖然通過波形施加的效率限制是相同的。圖2-3逆F類放大器原理圖2.5 射頻功率放大器的分析方法經(jīng)過多年的演變，射頻功放的研究已經(jīng)形成了一套比較系統(tǒng)的分析方法，目前常用的分析方法除了小信號S參數(shù)分析法還有在大信號條件下經(jīng)常使用的幾種非線性分析方法。下面簡單說明： 1小信號S參數(shù)法 在日常生活中廠商通常會向顧客提供器件的小信號 S 參數(shù)和直流工作特性曲線，這些數(shù)據(jù)可以幫我們研究出許多東西，小信號 S 參數(shù)法就是依靠這些提供的相關(guān)數(shù)

17、據(jù)估算出器件的飽和輸出功率8。2大信號S參數(shù)法 現(xiàn)在比較常用的該方法是利用半經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃头治瞿Ｐ偷却笮盘柲Ｐ徒⑵骷Ｐ屯瑫r結(jié)合計算機(jī)操作模擬得出我們所需要的各項性能參數(shù)9。但是這個方法通常比較復(fù)雜，有局限性，如非必要使用的頻率不是很高。3負(fù)載牽引法 負(fù)載牽引法通常情況下指的是是把不同負(fù)載接在器件的輸入輸出端口上通過測試得到我們所需要的性能參數(shù)，再把得到的結(jié)果繪制在史密斯圓圖上從而得到負(fù)載阻抗值和源阻抗值曲線。這個方法與之前的兩個相比操作容易便捷。大多數(shù)研究中都用這個。 2.6 S波段寬頻帶介紹由上文可知，放大器的各種電參數(shù)都和頻率有關(guān)。頻帶寬度是一個放大器的工作范圍，在這個范圍內(nèi)放大器參數(shù)變化

18、，不會影響通信系統(tǒng)的正常工作。下面簡介s波段和帶寬的定義。本文所研究的S波段是指頻率在2-4GHz范圍內(nèi)的電磁波波段，與網(wǎng)上的有些介紹因研究領(lǐng)域等方面的差異而略有不同，但這不影響的文本的研究內(nèi)容。實際工程上，衡量電子系統(tǒng)的性能可以看其占有的頻帶寬度。隨著頻譜的慢慢開拓，頻帶寬度的含義也變得相對模糊，仍可分為相對與絕對帶寬。在一個通信系統(tǒng)中，定義低于最高輻射電平-10dB的上下限頻率之差為頻帶寬度，fh，fl為上下限頻率，f0為中心頻率，大小為上下限頻率的平均值。絕對帶寬： （2-3）絕對帶寬常用于電磁頻譜的劃分，在常規(guī)通信領(lǐng)域中采用中頻f0表示系統(tǒng)工作頻段。相對帶寬BW1指系統(tǒng)絕對帶寬與中頻之

19、比10。 （2-4）圖2-4給出了一些常用波段及其定義應(yīng)用范圍的數(shù)據(jù)，包括波長和頻率范圍及應(yīng)用領(lǐng)域等。圖2-4波段列表2.7設(shè)計指標(biāo)本文使用的板材具體信息如下：板材選用羅杰斯6002C。介電常數(shù)：2.94 厚度：0.508本文使用的晶體管具體信息如下：晶體管名稱：CREE生產(chǎn)的CGH40010型號晶體管，其選擇原因下文有介紹。要求：仿真結(jié)果要求功率附加效率PAE至少在70%以上。2.8 S波段寬帶高效率逆F類放大器實現(xiàn)的思路和計劃本小節(jié)主要是介紹S波段寬頻帶高效率逆F類放大器實現(xiàn)的思路和計劃，包括設(shè)計路線及晶體管的選擇分析和最佳匹配點(diǎn)的確定兩部分。希望能在較短篇幅中簡單的闡述此次設(shè)計的實現(xiàn)思路

20、和計劃。一、設(shè)計路線及晶體管的選擇分析晶體管作為重要部分對于放大器高效率工作的實現(xiàn)具有不可替代的作用，是PA設(shè)計成功的關(guān)鍵因素，所以其選擇需要慎重思考。新一代的GaN類晶體管有漏源擊穿電壓PV高于其他半導(dǎo)體工藝且與傳統(tǒng)的LDMOS管相比不易擊穿等優(yōu)點(diǎn)，是本次設(shè)計最好的選擇。為了順利完成此次的設(shè)計,本文選擇了Cree公司生產(chǎn)的CGH40010F氮化鎵器件。上圖給出了CGH40010F晶體管的實物圖11。 圖2-5 CGH40010F實物圖下面來說明一下此次設(shè)計的具體過程：（1）結(jié)合相關(guān)資料確定好設(shè)計思路。（2）用晶體管模型結(jié)合直流掃描分析模板確定晶體管的合適參數(shù)。（3）用負(fù)載牽引法得到最佳負(fù)載阻

21、抗值和源阻抗值。從而決定恰當(dāng)輸入輸出電路。對于放大器的設(shè)計來說這是最關(guān)鍵的一步，因為它直接決定著放大器的整體結(jié)構(gòu)與造型是性能好壞的決定因素。（4）將之前確定好的電路搭建在一起，對其仿真獲取放大器的PAE等參數(shù)。（5）加工制作放大器的PCB板成品。二、最佳匹配點(diǎn)的確定本文我們采用的雙向牽引法具體過程介紹如下： (1)設(shè)置基本參數(shù)(2)負(fù)載牽引(3)源牽引(4)為了設(shè)計的精確性，重復(fù)123步，直到結(jié)果差不多。說明已經(jīng)得到最佳負(fù)載阻抗和源阻抗。上面是通常確定最佳匹配點(diǎn)的方法，有時候還要考慮到高次諧波的影響，因為本文只是簡單的研究，所以完成上述四步就可以了。 3. S波段逆F類放大器的仿真及優(yōu)化分析本

22、章主要是在S波段寬頻帶內(nèi)對實現(xiàn)的簡單逆F類放大器的仿真及優(yōu)化分析具體說明。本章由三部分內(nèi)容構(gòu)成：逆F類放大器原理介紹，功效分析及實際仿真電路介紹。在本論文的設(shè)計中，實現(xiàn)逆F功放的主要仿真軟件是ADS軟件。ADS軟件是一款使用率非常高的軟件，常用來仿真模擬射頻方面電路結(jié)構(gòu)，它含有許多放大器設(shè)計時可以用到的模板，對于初涉者來說方便快捷易上手。本章是運(yùn)用ADS軟件，在第二章的理論基礎(chǔ)上進(jìn)行實際探索設(shè)計出一個簡單的逆F類放大器。除此之外，后期原理圖的導(dǎo)出轉(zhuǎn)化為PCB格式還用到了autoCAD和Altium Designer軟件，可以用來對導(dǎo)出的dxf文件進(jìn)行工程繪圖，dxf在后面的文章中會給出介紹。3

23、.1實際逆F類放大器思路介紹本節(jié)與上述放大器原理分析不同，上文是對逆F類放大器整體進(jìn)行理論介紹，本節(jié)是單獨(dú)論述此次實際研究與加工的一款輸入輸出端均加入諧波抑制電路的放大器。傳統(tǒng)的F類PA是在其輸出端加入諧波抑制電路，通常把晶體管偏置在AB類并且把調(diào)諧電路插在輸出匹配網(wǎng)絡(luò)（OMN）之前通過特定阻抗的條件以抑制不需要的諧波。當(dāng)前，大部分逆F類功放的理論都是基于晶體管輸入端諧波抑制電路理論。對輸出端諧波抑制電路分較少。如果可以在放大器電路的輸入輸出端都加入諧波抑制電路，形成的AP可以稱之為F與逆F類的混合。那么這樣的放大器是否同時兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)實現(xiàn)更高效的功放呢？如同AB類之于A，B類呢？本文就是對

24、上述思路進(jìn)行討論探索。在S波段內(nèi)的2.3GHz到2.4GHz頻帶帶寬內(nèi)，使用軟件完成對放大器電路的模擬設(shè)計最終完成電路的加工測試。3.2 S波段逆F類放大器原理簡述查閱了許多資料我們可以得出這樣的發(fā)現(xiàn)那就是漏源極電容可以令一些高次諧波在微波頻率短路，大多數(shù)情況下因為帶有諧波抑制的電路需要實現(xiàn)阻抗匹配，所以輸出端可能會形成更繁瑣同時伴隨著更大的消耗的結(jié)果，結(jié)果就會導(dǎo)致PA效率的下降。由于上述因素的存在實際PA的研究中通常僅僅需要著眼于對少數(shù)幾個諧波分量進(jìn)行思量?？偨Y(jié)前人的設(shè)計，發(fā)現(xiàn)二次和三次諧波對PA的效率和輸出功率影響最大，所以本次設(shè)計只考慮對這兩個諧波的抑制。圖3-1是傳統(tǒng)的輸出網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)諧振

25、電路，可以看出它含有三次諧波峰化的成分，是最基礎(chǔ)的研究逆F類PA的電路。其中LC1在漏極串聯(lián)是為了形成三次諧波開路和二次諧波短路，LC2與輸出阻抗的并聯(lián)是為了保證基波處的阻抗是最合適的12。晶體管負(fù)載（就是看到的它的負(fù)荷）是由偶次諧波短路與奇次諧波開路組成的。串聯(lián)諧振電路能夠塑造出晶體管電流電壓波形，導(dǎo)致功率輸出能力的Cpmm值發(fā)生變化。然而，在莫斯管的情況下，Cpmm的實用性是可疑的，因為目前晶體管波形的結(jié)果只能從晶體管電流的形狀均方根值和峰值來看，而其本身，并不限制晶體管的能力。這解釋如下：在考慮把莫斯管作為開關(guān)裝置時，逆變器輸出功率由峰值電壓和工作結(jié)溫限制，這些必須限制在制造商的規(guī)格內(nèi)。

26、在高頻逆變電源的應(yīng)用中，莫斯管由于其額定功率和動態(tài)特性是最合適的晶體管，但它們相對較高的導(dǎo)通電阻會造成相當(dāng)大的傳導(dǎo)功率損耗。其結(jié)果是，在熱穩(wěn)定狀態(tài)對于給定的莫斯管和冷卻系統(tǒng)，它的結(jié)溫，電流導(dǎo)通損耗和均方根值被直接彼此連接。逆F類可以看成是雙重的F類，是以，晶體管的波形分別是一個半正弦波和方波。晶體管的負(fù)載是短路的奇次諧波和開路的偶次諧波。這個附加電路能夠改善晶體管的波形形狀，從而降低峰值電壓或降低均方根電流。為了確定它們的最佳形狀，提出和施加了一個適當(dāng)?shù)臄?shù)值方法。因為高次諧波調(diào)諧不能表現(xiàn)出顯著優(yōu)點(diǎn)，調(diào)諧二次和三次諧波的效果已被考慮。圖3-1輸出網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)諧振電路F類和逆F類放大器的應(yīng)用領(lǐng)域是相似

27、的。他們顯著擁有比D級放大器更高頻率的限制，而且比DE類放大器更簡單。D類遭受開關(guān)損耗和高頻率的要求限制,逆F則不然。3.3 S波段逆F類放大器設(shè)計電路具體參數(shù)介紹圖3-2給出了完整的功率放大器輸入輸出諧波抑制電路結(jié)構(gòu)，其輸入端電路包含對2次和3次諧波的抑制電路和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。實際設(shè)計中晶體管源阻抗和負(fù)載阻抗需要分別與50歐姆相配與此同時要求輸入輸出端相應(yīng)的匹配電路能夠達(dá)到對二次和三次諧波抑制的要求，這樣做是為了得到最大功效。長度為四分之一工作波長的微帶線L6是是構(gòu)成偏置電路不可缺少的組成部分，它同時與L7被用于控制三次諧波阻抗。圖3-2輸入輸出諧波抑制匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖L1，L2和L3形成的高通

28、匹配網(wǎng)絡(luò)被用于實現(xiàn)共軛匹配，二次諧波源阻抗負(fù)虛部的低阻抗是通過L4和L5獲取的。微帶線L10尺寸與L6一樣，它能夠在L8，L9和L10交點(diǎn)處產(chǎn)生一個短路電路，這個電路是相對于三次諧波而言的。從圖中可以看到輸出端的L8能夠產(chǎn)生三次諧波電抗；尺寸為三次諧波四分之一波長的L12，其作用與L10相似，只不過產(chǎn)生的是開路；L11的尺寸由晶體管的寄生參數(shù)決定；通過基板參數(shù)和工作頻率可以得到L10和L12的數(shù)據(jù)。工作頻率時L13被用于實現(xiàn)L11，12和L13交口處的阻抗與負(fù)載阻抗匹配13。本文選擇CREE公司生產(chǎn)研發(fā)的寬禁帶CGH40010F晶體管采用該型號的原因在前文中已經(jīng)作了介紹，不再解釋。介質(zhì)基層選擇

29、的是羅杰斯公司的RT6002C。通過使用負(fù)載牽引法對電路進(jìn)行測試后，得到的最合適負(fù)載阻抗為4.805-j*0.206，輸入阻抗為4.781-j*2.697。搭造好放大器的整體電路后將源阻抗和負(fù)載阻抗與50歐姆終端匹配，但是在后期實際制版的過程中為了便于加工稍微做了一點(diǎn)點(diǎn)修改，實際數(shù)據(jù)可能稍微有點(diǎn)差異。圖3-3輸入輸出負(fù)載牽引3.4電路仿真為了減小傳輸線由于微帶線尺寸大小不一致帶來的不連續(xù)性，本文還加入了Mtee等元件.構(gòu)造好輸入輸出的基本電路后，為了完善電源偏置電路同時還添加了去耦電容等元器件。除此之外逆F類諧波放大器通過使用兩個CRLH-TLS來實現(xiàn)：一個開放的CRLH-TL存根和一系列CR

30、LH-TL。圖3-4等效傳輸線匹配電路由于在此之前所述，逆F類功放的實現(xiàn)需要偶次諧波開路和奇次諧波短路。通過對第二和第三諧波使用開路短截CRLH-TL和一系列CRLH-TL的組合有可能實現(xiàn)這樣的約束條件。圖3-5輸入電路為了實現(xiàn)這一點(diǎn)，開路CRLH TL-B用于在兩個諧波充當(dāng)短路負(fù)載，該系列CRLH TL-A對逆F類操作能夠?qū)⒍搪纷杩棺優(yōu)楹线m的諧波阻抗。最后得到的完整輸入輸出電路如上圖3-5和下圖3-6。為了實現(xiàn)更理想的高效率功放，上文給出了傳輸線的匹配電路的模型供大家參考。圖3-6輸出電路連接好輸入與輸出電路后調(diào)出PAE電路模板構(gòu)建好電路，進(jìn)行附加效率和輸出功率分析，搭建好如圖3-7的PAE

31、仿真電路圖，可以看到ADS仿真模擬的結(jié)果如圖3-8所示。圖3-7 PAE仿真電路圖圖3-8 PAE仿真結(jié)果從圖中可以了解到在2.3到2.4GHz的S波段工作帶寬內(nèi)，PAE的最小值為77.307%,最大值為81.2%，可以該頻段內(nèi)功率附加效率都大于77%，說明用這樣的方法制作出的放大器效率基本能符合需求,同時在中心頻率為2.35GHz時發(fā)現(xiàn)漏極輸出功率超過10W。這與之前已知的數(shù)據(jù)相比說明本次仿真結(jié)果比較成功即添加諧波抑制電路提高PA的功效這一思路可行。外部并聯(lián)電容，占空比和工作頻率數(shù)字是變化的，直到晶體管電壓波形在其頂部是對稱的并在同一時間滿足ZVS和ZCS條件。圖3-9功率增益圖從圖中可以了

32、解到在2.3到2.4GHz的S波段工作帶寬內(nèi)，增益的最小值為12.63dB,最大值為13.6dB，可以看到該頻段增益都大于12.6dB，該增益圖呈下降趨勢并不是因為仿真結(jié)果有問題，而是因為本文選擇的頻帶帶寬比較小，增益變化趨勢不能代表整個功放仿真結(jié)果。如果將帶寬增大，中心頻率附近達(dá)到增益的最大值，說明用這樣的方法制作出的放大器效率基本能符合需求,同時在中心頻率為2.35GHz時發(fā)現(xiàn)漏極輸出功率超過10W。從上面的仿真結(jié)果可以看出仿真模擬出的PAE與理論上逆F類放大器具有的100效率有一定差距，這是由于在實際設(shè)計中使用的電容等元器件具有不可忽略的插入損耗，這些損耗是不可免的。圖3-10放大器效率

33、圖從圖中可以了解到在2.3GHz到2.4GHz的S波段工作帶寬內(nèi)，效率的最小值為81.5%,最大值為85.354%，可以看到在該頻段內(nèi)效率都大于81%，說明用這樣的方法制作出的放大器效率基本能符合需求。這個結(jié)果與之前的功率附加效率有一點(diǎn)差異，但總體趨勢是一樣的，這是因為兩者的計算公式不同，實際電路研究中PAE更能反映放大器的實際性能。雖然這可以通過使用更低損耗芯片或印刷電感電容得到改善，但損耗仍然存在且不可忽視。使用CRLH-TLS的逆F類比傳統(tǒng)用微帶設(shè)計的放大器具有設(shè)計更簡單和小型化電路的優(yōu)點(diǎn)。建好輸入輸出電路后，新建一個原理圖，在原理圖中將輸入輸出電路中間加上跟晶體管型號相同的微帶線并連接

34、好，這樣導(dǎo)出得到的就是一個完整的放大器模型。后期我們可以將導(dǎo)出的放大器中尺寸為20mm*4.3mm的微帶線部分鏤空，添加上CGH40010F的晶體管，制成完整的晶體管。4. 實物加工本小節(jié)延續(xù)了上一小節(jié)的設(shè)計，是對layout出的版圖進(jìn)行進(jìn)一步的加工使之方便實現(xiàn)PCB板的加工，與之前相比添加了過孔與接地部分，整個版圖的尺寸為55mm*35mm，小孔采用3mm和0.6mm的，中間扇形部分為焊盤。改成需要的印制印制電路版圖后，改成dwg文件。用CAD打開，CAD里面只建兩個層gko和top層，top層用來做最后PCB版圖里覆銅的部分，gko層用來做外框以及挖掉的微帶線邊框，顏色分別設(shè)置成top層紅

35、色，gko層黃色。為了方便從CAD導(dǎo)出到Altium Designer軟件中制成PCB格式文件，把所有孔都刪掉，邊框和中間要挖去的選gko層，其它覆銅的選top層，然后把覆銅的地方填充。填充的具體操作是利用快捷鍵“K”，再通過回車打開圖案填充管理層，設(shè)置為實心填充，顏色選擇根據(jù)當(dāng)前項。檢查沒有問題后就可以導(dǎo)入Altium Designer。導(dǎo)入步驟為新建PCB文件，然后導(dǎo)入之前在CAD畫好的原理圖，如果沒有問題就可以把文件轉(zhuǎn)成PCB文件。記得gko對應(yīng)AD中keep out layer那層，如果AD里面有哪些地方?jīng)]有填充要繼續(xù)在CAD里面只填充沒有在AD中沒有顯示的地方。然

36、后在要打孔的地方放置焊盤，設(shè)置板子原點(diǎn)在導(dǎo)出后的gko層對應(yīng)邊框的左下角，這樣便于設(shè)置焊盤坐標(biāo)等參數(shù)。這樣，我們所需要的逆F類放大器的PCB文件就完成了。本章的內(nèi)容很簡單，就是對上面一章實際研究制作逆F類放大器的補(bǔ)充說明，之所以與上一章區(qū)分開來，是為了更明顯的表達(dá)介紹此次研究的成果，即加工好的S波段寬頻帶逆F類放大器的實物，因為實際測試時缺乏足夠的時間與條件，所以本章只介紹了加工好的放大器實物，但是省略了實物測試與結(jié)果對比的說明介紹，希望大家能夠諒解。圖4-1實物圖5. 總結(jié)本次畢業(yè)設(shè)計主要是對于s波段寬頻帶逆F類放大器的研究與設(shè)計。對于這個設(shè)計任務(wù)，在實際設(shè)計學(xué)習(xí)的過程中我主要進(jìn)行了以下幾個

37、方面的工作。首先，查閱相關(guān)資料，充分了解了逆F類放大器的發(fā)展歷史、發(fā)展前景與潛力，做好前期工作即通過理論資料對放大器有一個整體的認(rèn)識，通過理論分析得知逆F類放大器的效率非常高，具有很大的商業(yè)利用價值和發(fā)展前景。其次，本論文的主要介紹的是對放大器的研究，所有的切入點(diǎn)都圍繞著對逆F類放大器的說明，在探索研究的過程中我學(xué)習(xí)了包括放大器在內(nèi)的相關(guān)射頻方面基本知識，了解了放大器的基本參數(shù)與工作原理。再次，由于本論文的工作頻帶是s波段寬頻帶，所以我先充分了解了S波段的定義以及寬頻帶的好處，對于如何實現(xiàn)寬頻帶進(jìn)行了研究，進(jìn)行了拓展頻帶的探索，對于根據(jù)各方面原因綜合考慮后選擇的晶體管模擬其尺寸，用ADS軟件進(jìn)

38、行了電路的構(gòu)造仿真。最后，對已優(yōu)化好的功率放大器模型進(jìn)行實物制作，并且進(jìn)行了測量，將測試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，最終完成了設(shè)計目標(biāo)。本論文也存在著許許多多的不完善之處，對放大器的研究不夠盡善盡美，如對s波段寬頻帶方面只是研究了其中一小部分因其研究的著重點(diǎn)放在如何實現(xiàn)高效率的功放；在拓寬頻帶與提高整體功效方面的努力與研究還不夠，只能在小的帶寬內(nèi)實現(xiàn)整體的高效率功放，大一點(diǎn)就不行了。對于逆F放大器的輸入輸出電路方面我使用的是通過資料了解到的已有的電路模型，只是在上面添加了一個諧波抑制電路；對于如何構(gòu)建電路及理由等方面的介紹還不夠深入與系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的不斷進(jìn)步，通信產(chǎn)業(yè)作為一個朝陽產(chǎn)業(yè)正在散發(fā)著蓬勃生機(jī)，吸引著大批學(xué)者展開探索與研究，可以預(yù)見隨著通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，未來整個社會對于放大器的要求會日益加重。結(jié)合放大器在實際電路中的應(yīng)用，逆