本文主要是介绍带宽拓展的E/F3类射频功率放大器设计(2020.09 MTT)--从理论到ADS版图,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!
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
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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。
目录
- 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
- 0、实现效果展示
- 0.1、版图展示
- 0.1、单音信号版图仿真结果
- 0.2、ACLR和DPD模拟测试
- 1、文章的核心思路
- 2、输出匹配设计
- 2.1、目标阻抗空间
- 2.2、输出匹配原理图设计
- 2.3、输出匹配的版图验证
- 3、输入匹配设计
- 3.1、输入匹配原理图设计
- 3.2、输入匹配版图设计
- 3、大信号仿真
- 4、ACLR和DPD
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:
这篇关于带宽拓展的E/F3类射频功率放大器设计(2020.09 MTT)--从理论到ADS版图的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!