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摘要：分析了谐波控制理论提高功放效率的原理。对南京电子器件研究所的GaNHEMT器件进行了负载牵引测试。根据测试结果，发现通过谐波控制可以有效提升该器件的效率，在8GHz时能获得10%的效率提升。应用谐波控制理论设计了一款X波段单级MMIC功放。经连续波测试，该功放芯片在8.6GHz-9.5GHz范围内漏极效率达到48%-56%。
关键词：谐波控制；功率放大器；高效率；单片微波集成电路
引言
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。
近几年来，谐波控制类功放相关的研究愈发得到重视，研究成果众多。2013年，AlexanderN.Stameroff用马卡德巴伦合成功率的方式设计了一款X波段的逆F类功放，在8-12GHz能够实现55%的PAE，10dB的增益和41.5dBm的P-1。2014年，GholamrezaNikandish报导了两款MMICF类功放，一款单频点F类功放，工作在5.5GHz，输出功率27.5dBm，附加效率70%，另一款双频点F类功放，工作在5GHz和12GHz，输出功率分别为28dBm和26.7dBm，附加效率分别为58%和51%。2017年，HangHuang报导了一款用连续类思想设计的F类放大器，在0.2-2.5GHz范围内能实现55.5%～70.3%PAE。目前，谐波控制技术已经广泛应用于功放的设计中，但是在MMIC高频功率放大器设计中仍然有不少技术问题亟待解决。
本文通过理论分析，负载牵引测试和电路设计验证三个步骤阐述了谐波控制理论在MMIC高频功率放大器设计中的应用。
一、原理分析
射频功率放大器的效率可以用漏极效率来表述
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，从而得到如图1（a）所示的漏极电压电流波形，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，其漏极电压电流波形如图1（b）所示。
在高頻下，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。工作在电流源模式下的晶体管简化等效结构如图2所示：
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远比图2所示的复杂，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。
二、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。
本文中采用的负载牵引测试系统结构如图3所示。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GaN0.15μm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4所示：
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5所示：
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6所示：
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5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，在史密斯圆图上如图7所示：
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。
三、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，芯片实物图如图9所示。
设计功放的输出匹配电路时兼顾了基波和谐波阻抗，仿真结果如图10。
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，如图11所示。
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。测得的功率和效率如图12所示。
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。功放在8.8GHz的功率效率曲线如图13所示。
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？？.？？？0.81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。
结束语
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]梁芬，赵强松.复合重复控制在电动汽车充电机谐波抑制中的应用[J].电子测量技术，2018（06）：1-5.
[2]叶吉亮，李岚，刘海霞，王宇龙.电网电压不平衡及谐波状态下的并网逆变器控制策略[J/OL].电力系统保护与控制：1-7[2018-04-08].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/41.1401.TM.20180316.1310.024.html.
[3]冯伟，孙凯，关雅娟，JosepM.Guerrero，肖曦.基于分层控制的微电网并网谐波电流主动抑制控制策略[J/OL].电工技术学报：1-10[2018-04-08].https：//doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L70691.
[4]金胜赫，孙秋野，周建国，张化光.孤岛运行微网中分布式谐波功率分配控制策略[J].控制工程，2018，25（02）：335-340.
[5]樊道庆，郭贤朝，刘静佳.模块化多电平的谐波补偿控制策略[J].自动化与仪表，2018，33（02）：73-76+81.
[6]孙佳成，张晓斌，姚文利，张欣玥，PohChiangLoh.电容不匹配下直流分裂电容功率解耦衍生谐波识别与优化控制[J].电工技术学报，2018，33（04）：874-882.
关键词：谐波控制；功率放大器；高效率；单片微波集成电路
引言
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。
近几年来，谐波控制类功放相关的研究愈发得到重视，研究成果众多。2013年，AlexanderN.Stameroff用马卡德巴伦合成功率的方式设计了一款X波段的逆F类功放，在8-12GHz能够实现55%的PAE，10dB的增益和41.5dBm的P-1。2014年，GholamrezaNikandish报导了两款MMICF类功放，一款单频点F类功放，工作在5.5GHz，输出功率27.5dBm，附加效率70%，另一款双频点F类功放，工作在5GHz和12GHz，输出功率分别为28dBm和26.7dBm，附加效率分别为58%和51%。2017年，HangHuang报导了一款用连续类思想设计的F类放大器，在0.2-2.5GHz范围内能实现55.5%～70.3%PAE。目前，谐波控制技术已经广泛应用于功放的设计中，但是在MMIC高频功率放大器设计中仍然有不少技术问题亟待解决。
本文通过理论分析，负载牵引测试和电路设计验证三个步骤阐述了谐波控制理论在MMIC高频功率放大器设计中的应用。
一、原理分析
射频功率放大器的效率可以用漏极效率来表述
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，从而得到如图1（a）所示的漏极电压电流波形，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，其漏极电压电流波形如图1（b）所示。
在高頻下，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。工作在电流源模式下的晶体管简化等效结构如图2所示：
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远比图2所示的复杂，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。
二、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。
本文中采用的负载牵引测试系统结构如图3所示。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GaN0.15μm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4所示：
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5所示：
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6所示：
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5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，在史密斯圆图上如图7所示：
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。
三、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，芯片实物图如图9所示。
设计功放的输出匹配电路时兼顾了基波和谐波阻抗，仿真结果如图10。
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，如图11所示。
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。测得的功率和效率如图12所示。
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。功放在8.8GHz的功率效率曲线如图13所示。
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？？.？？？0.81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。
结束语
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]梁芬，赵强松.复合重复控制在电动汽车充电机谐波抑制中的应用[J].电子测量技术，2018（06）：1-5.
[2]叶吉亮，李岚，刘海霞，王宇龙.电网电压不平衡及谐波状态下的并网逆变器控制策略[J/OL].电力系统保护与控制：1-7[2018-04-08].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/41.1401.TM.20180316.1310.024.html.
[3]冯伟，孙凯，关雅娟，JosepM.Guerrero，肖曦.基于分层控制的微电网并网谐波电流主动抑制控制策略[J/OL].电工技术学报：1-10[2018-04-08].https：//doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L70691.
[4]金胜赫，孙秋野，周建国，张化光.孤岛运行微网中分布式谐波功率分配控制策略[J].控制工程，2018，25（02）：335-340.
[5]樊道庆，郭贤朝，刘静佳.模块化多电平的谐波补偿控制策略[J].自动化与仪表，2018，33（02）：73-76+81.
[6]孙佳成，张晓斌，姚文利，张欣玥，PohChiangLoh.电容不匹配下直流分裂电容功率解耦衍生谐波识别与优化控制[J].电工技术学报，2018，33（04）：874-882.