高效率射频功率放大器的研究

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射频功率放大器是当今无线通信系统的核心部件之一,射频功率放大器从20世纪中叶发展到今天,种类与形式都日趋增多,应用领域也不断扩大。近年来,为了满足无线通信系统对射频功率放大器的轻重量、小体积以及电源低功耗等要求,展开提高功率放大器效率的研究势在必行,高效率射频功率放大器的研究受到了广泛的关注。传统的功率放大器(包含A类、B类、AB类和C类)通过调整工作状态(即减小晶体管导通角θ)来提高效率,在传统功率放大器的工作状态下,由于电压和电流同时工作,要使晶体管的功耗降低到零,那么输出功率必然也降低到零,结果,通过减小导通角来提高功率放大器效率的途径达到了一个瓶颈。所以功率晶体管对电压和电流交替导通的新型的开关类射频功率放大器应运而生(包含D类、E类和F类)。它最大程度上减小电压和电流的重叠程度,以此来降低功率晶体管本身的功耗,理论上晶体管本身的功耗可以降低到零,即射频功率放大器的效率理论上可以达到100%。而对于双管推挽形式的D类功放而言,应用频段在MHz以上时,由于晶体管本身的开关延迟效应,致使电压和电流产生严重的重叠,导致效率严重下降。然而,采用单管放大的E类射频功率放大器克服了这一缺点,适用于更高的频段,达到的效率也更为理想。所以展开对高效率E类射频功率放大器的研究具有重要的意义。首先,本文介绍了射频功率放大器的基本概念,发展历程等,引出了展开对高效率射频功率放大器的研究的现实意义;其次,简要介绍了几类传统的射频功率放大器和几类新型的开关类射频功率放大器;再次,选用E类工作模式,基于M/A COM公司的MRF166C型号的功率晶体管设计了具有并联电容结构的141MHz的高效率射频功率放大器,通过理论的计算以及射频电路仿真软件的帮助得到了最终的高效率射频功率放大器的电路,当驱动功率为1W,漏极电压为28V时,最大直流转换效率78.2%,输出功率20.8W;最后,制作出了141MHz高效率射频功率放大器的实物,并对实物进行了效率以及谐波等参量的测试,得到当驱动功率为1W,漏极电压为28V时,最大直流转换效率72.5%,输出功率22.2W,最大PAE为69.3%,并与理论计算值进行分析比较。实测结果与理论计算结果相吻合,充分说明了此类设计的可行性,也为E类共效率射频功率放大器的研究提供了一个较为有价值的参考。
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