（1.华东电子工程研究所 安徽合肥 230088；
2.合肥康木科技有限公司 安徽合肥 230088）
摘要：射频功率放大器广泛应用于通信系统和雷达系统中。高效率的功率放大器能够减小系统的功耗，降低系统对散热的要求。因此，提高射频功率放大器的效率一直是研究的热点。谐波控制是一种通过控制谐波阻抗来调谐漏极电压电流波形，使漏极电压和电流波形时域上尽量不重叠从而提高功放效率的设计方法。
关键词：谐波控制；射频功率；放大器设计；应用
1谐波研究的重要性和必要性
在传统电力系统中正弦波形被畸变的现象早已存在，由于其功率相对不大，因而危害并不明显。可是现代电力系统对电能形态提出了新的要求，具体表现为借助电力电子装置引入功率变换技术，对功率电子的流动进行通断控制，以满足用户对频率、电压、电流、波形及相数的要求。还需注意到，随着超大容量的电力电子装置的使用，现代电力系统正试图将其快速、实时可控性应用于电网的电能输送及运行，正在出现着像动态无功补偿（ASVG，STATCOM）、有源电力滤波（APE）、可控移相装置（TCPA）和统一潮流控制（UPFC）等独具电力领域特色的应用。
一般说来，发展的动力来源于巨大的技术经济效益。根据来自中国一些专家统计，各种电源转换后的电能30%是目前可供用户。然而，作为电力与电气设备之间的非线性接口电路，所有的电力电子装置在功率控制和处理的同时不可避免地会产生非正弦波形，将谐波电流注入电网，从而使电网的电压波形发生变化。公共连接点（PCC）严重失真，产生较强的电磁干扰。随着电力变换装置容量的不断增加，使用数量的急剧增加和控制方法的多样性，电力电子器件潜在的负面影响越来越突出。
由于对谐波问题的认识逐渐加深，其产生的原因、计算方法的分析、危害与影响机理、测量评价标准的制定、综合管理的实施等都是急需解决的问题。研究表明，电力系统谐波是电气工程中的一项分支技术，在其他相关学科中也有广泛的渗透和交叉。它是一门新兴的跨学科研究，是一个有待加强的重要研究方向。
近年来，世界科技界广泛关注世界两大问题，即能源（节能、合理开发和应用）和环境（意识、改善和环境保护）。
电力工业是一个生产最佳能源产品（电力的生产、输送、分配、转换同时进行）的大型系统。如何根据负荷需求实现有效的能量转换已成为当今电力系统关注的焦点。然而，传统的电力形式在合理有效地利用电能方面受到了很大的限制和浪费（甚至浪费）。高功率技术如电力电子的使用在电能的有效利用方面得到越来越多的认可。例如，充分开发频率资源，根据机械传动，使电机转速（低效率）的加工过程，通过变频调速快速灵活地切换，通过高频启动电路实现开关直流电源；铁氧体等磁材料消耗少，设备尺寸明显减小。然而，使用电力电子器件时，谐波问题的出现反过来又降低了整流电路的功率因数，导致效率降低，与能量的合理有效利用相违背。因此，相应的改进措施将成为另一个重要的研究课题。
2原理分析
射频功率放大器的效率可以用漏极效率η来表述：
（1）
理想的F类功放通过设计谐波网络使得偶次谐波短路，奇次谐波开路，由于漏极电压电流波形分别为方波和半正弦波并且没有交叠，因此满足效率100%的条件。逆F类功放和F类功放相反。在高频下，由于晶体管的源漏电容Cds的存在，高次谐波被短路，因此高频下高次谐波的影响很小。再加上随着频率进入微波毫米波频段，对高次谐波的控制变得非常困难，因此，在高频下往往只考虑到三次谐波。
理论上，可以通过计算得到最佳的一组阻抗值（包括基波和二次三次谐波阻抗）使得功放效率最高，但是由于实际的晶体管等效结构复杂，并且很难得到精确的输出电流表达式，单纯通过计算很难找到合适的输出阻抗值。因此就需要借助负载牵引法，通过对晶体管直接进行测试来得到设计谐波控制类功放所需要的最佳输出阻抗值。
3负载牵引测试
负载牵引法是功放设计常用的一种方法，其基本原理是通过不断地改变输入或输出端的阻抗，测试有源器件的性能，找到有源器件获得最佳性能（最佳功率、最佳效率等）时的负载阻抗。
该系统在输出端采用混合有源的方式进行阻抗调谐，该种方式能够实现输出端基波以及二次三次谐波阻抗的单独调谐，并且阻抗调谐范围能覆盖史密斯圆图上反射系数0.95以内的范围。本次测试对象为南京电子器件研究所GaN 0.15μm工艺HEMT器件，器件总栅宽为240μm（4×60μm）。首先对器件进行基波负载牵引测试，测试频率为8GHz，栅压-1.8V，漏压20V，得到结果如图1所示：
图1 4*60μm管芯8GHz基波负载牵引测试结果
然后，将输出端基波阻抗固定在最佳效率点，进行谐波负载牵引，得到结果如图2所示：
图2（a）二次谐波负载牵引等效率圆
（b）三次谐波负载牵引等效率圆
最后，将输出端谐波阻抗固定在刚刚测得的最佳效率点，再次进行基波负载牵引，发现基波最佳效率点与未进行谐波控制时略微有所偏移，对比如图3所示：
图3 加谐波控制前后的基波负载牵引等效率圆
根据测试结果，在8GHz，加入谐波控制后能够将管芯的效率从60%提升到70%。并且可以从图2看出，二次谐波阻抗对效率的影响相较于三次谐波要大很多。在设计电路时必须保证二次谐波阻抗在最佳点附近，否则会导致提升效率的效果不明显甚至会导致效率的降低。
在10GHz频点进行同样的测试，得到8GHz，10GHz两个频点的最佳效率阻抗，经过去嵌后得到的最佳效率阻抗值见表1。
表1 最佳效率阻抗
图4表示的是被测管芯在输出端基波和三次谐波阻抗固定在最佳效率点时，随着二次谐波阻抗相位变化（反射系数幅度0.9）的效率和功率曲线。从图中可以看出，在效率最高的点，输出功率也最大，耗散功率最小，这和理论分析相吻合。
图4 管芯性能随二次谐波阻抗相位变化曲线
4功放设计与结果分析
为了验证前面的理论分析和测试结果，设计了一款8.5-10.5GHz的单级功放。设计功放的输出匹配电路时兼顾了基波和谐波阻抗。输出匹配网络采用了三段LC匹配的方式将基波和谐波匹配到了目标阻抗，但是该匹配方式导致了输出匹配网络的损耗较大，在8.5GHz-10.5GHz范围内，输出匹配网络有0.9dB的损耗。放大器芯片安装到测试夹具中，用功率计以及信号源进行大信号测试。测试时偏压和负载牵引测试保持一致，采用栅压-1.8V漏压20V。该款功放在8.6GHz-9.5GHz范围内效率48%-56%，在8.8GHz处达到效率的最大值56%。在8.5GHz-8.6GHz和9.5GHz-10.5GHz范围内效率相对较差。
比较负载牵引结果和功放芯片测试结果。考虑到输出匹配网络有0.9dB的损耗，因此要将负载牵引得到的效率乘以一个系数10-0.09=0.81来进行比较。根据负载牵引结果，管芯在加和不加谐波控制的条件下能够得到的最佳效率大约分别是70%和60%，乘以系数0.81后分别为56.7%和48.6%。据此，可以证明设计的功放在8.6GHz-9.5GHz范围内因为谐波控制而实现了效率提升，在8.8GHz处达到最佳。然而，在8.6-10.5GHz范围内，效率比较低，这主要是由于输出端二次谐波阻抗匹配偏离最佳点。
结论
本文研究了如何利用谐波控制提高射频功率放大器的效率，从理论分析入手，通过先进的谐波负载牵引测试系统对南京电子器件研究所的GaN晶体管进行负载牵引测试，最后利用负载牵引测试得到的数据成功研发了一款X波段功率放大器，在8.6GHz-9.5GHz范围内漏极效率达到48%-56%，并结合负载牵引测试结果证明了谐波控制对提高射频功率放大器效率的作用。
参考文献
[1]曹武,江楠,刘康礼,赵剑锋.改进谐波分次检测结合集中电流环的APF谐波独立控制实现[J].中国电机工程学报,2014,34(03):387-396.
[2]丁瑶.高效率射频功率放大器的研究[D].中国科学技术大学,2012.
论文作者:吴思燕1,武恒2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第8期
论文发表时间:2018/7/2
标签：谐波论文; 阻抗论文; 效率论文; 负载论文; 基波论文; 功放论文; 测试论文; 《电力设备》2018年第8期论文;