高效率高谐波抑制功率放大器的设计

介绍了一种对功率放大器高次谐波处理的方法，该方法通过在输出低通匹配网络中引入多个LC谐振网络来对功率放大器产生的谐波能量进行回收，抑制了负载处的谐波分量，同时也提高了功放的效率。利用该方法采用InGaP/GaAs HBT工艺设计了一个供电电压为5 V、工作于2 GHz频率的功率放大器。测试结果表明，该功率放大器的增益为35 dB，饱和输出功率为35.2 dBm，效率为48%，2次到5次的谐波分量分别为：-53 dBc、-58 dBc、-65 dBc、-60 dBc。 功率放大器是无线通信系统中的核心部件，负责将微弱的信号放大到足够的功率级别，以便在空气中有效地传输。在高频率操作下，功率放大器往往会产生谐波，这些谐波不仅消耗能源，还会对无线通信系统的频谱纯净度造成负面影响。因此，高效地抑制谐波成为功率放大器设计中的关键问题。 本文提出的是一种针对功率放大器高次谐波的处理方法，通过在输出低通匹配网络中引入多个LC谐振网络来回收谐波能量，并抑制负载处的谐波分量。这种方法有助于提升功率放大器的效率，同时降低谐波分量，确保信号质量。 电路设计中，功率放大器通常包含输入匹配网络、放大电路、直流偏置电路和输出匹配网络。输出匹配网络在功率放大器的性能优化中起到至关重要的作用，因为它直接影响到功率输出和效率。本文设计的输出匹配网络具有谐波抑制功能，它由二级低通网络和串联LC谐振网络组成。低通网络在基频时主要进行阻抗变换，而在高阶谐波处则表现为高阻抗，从而阻止谐波能量的传播。串联LC谐振网络则在特定谐波频率上谐振，将谐波能量转化为热能，从而达到抑制谐波的效果。 在本文中，C1用于隔直，L1、C3和L5、C2构成二级低通网络，而C4和L4构成串联LC谐振网络，谐振在二次谐波频率上，以回收2次谐波能量。L3和L2则与C3、C2形成串联谐振网络，分别针对3次和5次谐波进行处理。通过这种方式，谐波能量被有效地管理和抑制，提高了功放的效率。 整个功率放大器采用InGaP/GaAs HBT工艺制造，这种工艺适用于高频操作，提供了良好的线性和效率。电路采用三级放大结构，第一级为A类，提供高线性度；第二级为浅AB类，介于A类和B类之间；第三级为深AB类，以实现高效率。级间匹配网络通过外部绑定线实现，减少插损，提高效率。输出匹配网络中的L4通过调节金线长度控制二次谐波，而L3和L2则用过孔实现，针对高次谐波进行抑制。 测试结果显示，设计的功率放大器在2 GHz频率下，增益达到35 dB，饱和输出功率为35.2 dBm，效率为48%。2次到5次的谐波分量分别为-53 dBc、-58 dBc、-65 dBc和-60 dBc，远低于基准线，表明谐波抑制效果显著。 通过在输出匹配网络中巧妙地集成LC谐振网络，本文成功设计了一款高效率、高谐波抑制的功率放大器。这种方法不仅提高了功率放大器的工作效率，还有效降低了谐波污染，对于无线通信系统的性能提升具有重要意义。