摘 要： 开关模式E类功率放大器的理论效率可达100%，可用于天气雷达发射机系统中。采用GaN HEMT器件，设计了一个在2.8 GHz频点下的E类功率放大器，输出功率达到40 dBm，PAE为67%，增益为13 dB。此外，设计的微带负载网络对谐波进行了有效抑制。

　　关键词： E类功率放大器；高效率；谐波抑制；GaN

　　射频功率放大器在雷达、通信、卫星导航等系统中都有着广泛的应用。现代http://www.dgfpc.com/贴片功率电感雷达系统出于小型化和集成化考虑，要求尽量减少直流功耗、提高系统性能，提高射频功率放大器的效率将有效降低电源消耗和散热需求，直接改善发射机系统的性能。

　　由SOKAL N O提出的E类功率放大器不仅电路结构简单，而且理论上具有高达100%的漏极效率[1]。但早期的功率放大器设计受到半导体材料及工艺限制，高效率设计方面存在较大缺陷，新材料新工艺器件的出现有效地克服了这些缺陷。采用新型半导体器件，结合微带线设计E类功率放大器具有效率和谐波抑制度高的优点[2]，可以得到良好的设计结果。

　　本文针对S波段天气雷达发射机中速调管的固态激励，采用新型半导体器件，设计了一个2.8 GHz频点下，具有10 W输出的微带线E类功率放大器电路，给出了微带负载网络的设计理论、设计过程以及仿真结果与测试分析。

　　1 工作原理

　　常用的E类功率放大器电路输出负载回路是由并联电容、串联电感、LC谐振回路和负载阻抗组成。在理想的情况下，功率管截止时，漏极电压在漏极电流等于零以后才开始上升；而功率管导通时，漏极电流在漏极电压为零以后才开始出现。功率管从导通至截止或从截止至导通的开关期间，漏极电压和电流不会同时出现。这样，漏极上无功率损耗，理想效率为100%[深圳电感厂3]。

　　电源通过RF扼流圈馈电到MOS管漏极，此RF扼流圈对基波频率具有高电抗，可以认为只允许直流电流通过；并联电容包含了功率管内部的输出电容和加在负载网络的外部电容两部分。

　　对于图1所示的拓扑结构，其元件参数的理论值可由以下公式确定[3]：

　　其中，QL为电路品质因数，为工作频率，VDD为漏端电压，RL为满足功放设计需要的最佳负载电阻。

　　2 功放电路设计

　　由于E类功放对功率晶体管在开关速度、功率容量和漏极击穿电压等方面要求较高，在大功率和高频率场合常采用GaN HEMT器件[4]，故本文选用Cree公司的CGH40010F，根据E类功放的设计原理与方法，在ADS环境下进行仿真设计。

　　仿真设计过程主要步骤为：静态工作点的确定，结构电路设计（阻抗匹配、偏执电路等），电路参数的仿真与优化[5]。根据设计步骤，首先对功放管进行了直流特性仿真，通过仿真结果，选取VGS=-3 V，VDS=26 V。然后对功放管进行负载牵引和源牵引仿真，寻找最佳负载阻抗和源阻抗进行匹配。结合理论公式求得各元件理论值，得到集总参数匹配结构。根据微波理论，并联电容可用开路短截线实现，串联电感可用串接微带线，这样就设计出了微带线匹配网络。

　　为了提高效率，E类功放电路的输出匹配拓扑结构可参考F类功放工作模式，实现电压逼近方波，电流近似为半正弦波的条件。这种模式的匹配结构可对谐波进行负载阻抗抑制，提高漏极效率[6]。E类模式的开关电压波形较好，只需对低次谐波进行抑制即可[2]，本设计针对二、三次谐波进行了抑制。谐波抑制主要由1/4波长微带线完成，开路线的电长度分别选择为频率2fc、3fc的1/4波长，这样，开路线在相应的谐波点呈现为低阻抗，起到抑制二、三次谐波的效果，同时也成为了阻抗匹配网络的组成部分。

　　整体结构如图2所示，这种结构优点明显，不仅实现了电路的阻抗匹配，又抑制了谐波分量，同时保证了E类放大器的最佳工作模式。

　　3 仿真与测试分析

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