带宽拓展的E/F3类射频功率放大器设计(2020.09 MTT)–从理论到ADS版图

原文: A Generalized High-Efficiency Broadband Class-E/F3 Power Amplifier Based on Design Space Expanding of Load Network

发表于SEPTEMBER 2020，在微波顶刊IEEE T MTT上面，使用的GAN CGH40010F

全部工程下载：带宽拓展的E/F3类射频功率放大器设计(2020.09 MTT)-从理论到ADS版图-ADS工程

不着急的穷学生和穷工程师可以私信我，打6-8折哦！。单管PA复现难度都不是特别高。

这篇文章是从电路出发，结合E/F类模式固有的ZVS和ZVDS条件进行推导得到的。总的来说，就是在满足三次谐波调谐、ZVS、ZVDS条件的情况下得到了一系列的波形解集，由此拓展了E/F类的宽带设计空间。

还有一篇文章思路非常相似，但是是对EF2模式进行推导的，就是在满足二次谐波调谐、ZVS、ZVDS条件的情况下得到了一系列的波形解集。是这篇文章：Novel Design Space of Broadband High-Efficiency Parallel-Circuit Class-EF Power Amplifiers，发表于ICAS-I，2022。

但是，在我看来，有一个文章实际上已经分析这种理论，但是那篇文章没有把E/F3或者EF2类当成功率放大器来设计，只是当成了能量转换器，推导也是理论性比较强，没有涉及到微带线功放的设计。但是理论上是包含了这两篇文章的结果，就是可能出发点不一样：Modeling and Analysis of Class EF and Class E/F Inverters With Series-Tuned Resonant Networks，发表于IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS，2016。

0、实现效果展示

这种单管的宽带分析，实现起来是非常容易的，一般不太需要考虑电路架构什么的，直接阻抗匹配就行了。作者原来使用的简化实频进行设计的（网络综合和简化实频理论），我就直接使用优化匹配到目标区域嘞。最终得到的版图如下所示：

0.1、版图展示

Cir_All原理图
设计只是按照作者给出的阻抗空间，其余是自己匹配的，使用的板材是4350B，和作者原来的可能不一样：

0.1、单音信号版图仿真结果

HB1TonePAE_FPswp原理图
查看一下2dB压缩下的效率情况，可以看到在1.7GHz-3.0GHz的范围内，取得了65.3%以上的漏极效率，输出功率的范围为39.2-41.7dBm，2dB压缩下的增益为10.6-11dB，效果非常好：

对于大信号下的S11和S22参数，版图仿真效果如下，基本还可以吧：

小信号S参数的版图结果如下所示，S22在-10dB以下，部分的S11参数有些劣化，但还是不错的：

0.2、ACLR和DPD模拟测试

参考番外10：使用ADS对射频功率放大器进行非线性测试2（使用带宽20MHz的64QAM信号进行ACLR、EVM、CCDF测试）对设计的PA进行测试，得到的结果如下所示，可以看到在64QAM调制下的20MHz信号，经过DPD后的ACLR小于-45dBc，平均PAE为30%，平均输出功率为32.7dBm，峰值输出功率为41.2dBm：

1、文章的核心思路

文章是实际上是研究了一种广义的E/F3模式，和为广义，就是使用E/F类的电路结构，在调谐三次谐波、ZVS、ZVDS的条件下进行波形的求解，可以得到一系列的波形解。

但是为什么可以得到一系列的波形解呢？同学们可以先阅读EF类和E/F类功率放大器（能量转换器）的波形推导和理想仿真–基于Matlab和ADS。可以看到，这类模式存在三个参数，即要控制的谐波次数q，占空比D，和电容C1与C2的比值k。对于一般情况下，谐波次数q和占空比D是固定的，但是不同的k会产生不同的波形，注意，此处的q指的是EF类和E/F类功率放大器（能量转换器）的波形推导和理想仿真–基于Matlab和ADS里面的q，表示调谐的三次谐波：

因此，我没有单独对论文里面的推导进行研究，实际上和我之前文章中介绍的差不多，只是出发点不同。

2、输出匹配设计

2.1、目标阻抗空间

文章中清晰给出了目标阻抗空间，归一化阻抗为Ropt，对于CGH40010F这个管子，Ropt一般视为30、36欧姆都可以。实际上这样的阻抗空间和F类相比匹配起来非常简单，因为二次谐波容性，有助于吸收漏极寄生电容：

2.2、输出匹配原理图设计

OutputMatchSub原理图
直接上优化：

得到的结果也是杠杠的，注意，此处的结果可能和理论的看起来不一样，这是因为此处归一化阻抗为50欧姆，之前的归一化阻抗在30左右，因此实际上是类似的：

2.3、输出匹配的版图验证

输出匹配的版图在：OutputMatchCir原理图：

进行版图仿真，可以看到和理论的阻抗空间相比，效果杠杠的，注意，此处的结果可能和理论的看起来不一样，这是因为此处归一化阻抗为50欧姆，之前的归一化阻抗在30左右，因此实际上是类似的：

3、输入匹配设计

3.1、输入匹配原理图设计

设计方法参考：基于优化的宽带匹配设计方法（模板）—以宽带PA的输入匹配为例，得到的匹配电路如下所示（InputMatchSub原理图）：

直接运行优化，得到的原理图结果如下：

3.2、输入匹配版图设计

版图在InputMatchCir原理图
使用版图联合仿真：

效果还行：

3、大信号仿真

HB1TonePAE_FPswp里面是使用整体电路的仿真结果（HB1TonePAE_Fswp里面是输出匹配、输入匹配分开两个版图的结果）：

得到的结果如下所示：

4、ACLR和DPD

此处直接用VTB的模板就行，在2.5GHz进行测试：

要跑10分钟左右的时间，结果如下：