F类与逆F类功率放大器的效率研究

摘要 为了对F类与逆F类功率放大器的效率进行研究，首先从理论方面对两种放大器工作模式各自的效率进行了计算。通过计算可以看出，在相同的输出功率下，因为晶体管导通内阻的存在，逆F类功率放大器的效率优于F类功率放大器。再通过软件仿真设计F类和逆F类功率放大器，在相同的输出功率下，逆F类功率放大器的最高漏极效率为91．8％，F类功率放大器的最高漏极效率为89．3％。
关键词 F类；逆F类；功率放大器；漏极效率

随着无线通讯系统的迅速发展，对高效率射频功率放大器的需求逐渐增加。如何提高功率放大器的工作效率已成为一个重要课题。为提高效率，研究人员将大量精力专注于放大器的工作模式上，例如D类，E类，F类和逆F类功率放大器。F类和逆F类两种模式的高效率功率放大器在近几年成为研究焦点。文献中采用F类工作模式效率达到75％，文献中采用逆F类工作模式效率达到80％。两者均采用GaN功率管CGH400 10，其1 dB压缩点输出功率约为10 W，不能满足大输出功率的要求。
针对1 dB压缩点输出功率为45 W的功率管CGH40045进行设计，分别设计出F类和逆F类两款功率放大器，对两种模式的功率放大器漏极效率进行比较，并对两款功放的效率差异从理论和仿真两方面做出了定量分析。

1 理论分析
图1为F类和逆F类功率放大器漏极输出端理想电压和电流的时域波形。F类功放的漏极端电流为半正弦波，电压为方波；相反的逆F类功放的漏极端电流为方波，电压为半正弦波。两者相反的漏极电压和电流波形对放大器的效率会产生不同的影响，以下是在理想情况下分别计算两种放大器工作效率，两种波形都可以通过傅里叶级数展开式展开，从而可以方便地对直流信号、基波信号和各次谐波信号进行分析。

首先分析F类功率放大器，将其电压和电流波形通过傅里叶级数展开，各变量如图1所示。

根据傅里叶展开式分别计算出直流信号的功率和基波信号的功率，从而求出F类功率放大器的效率，其中，Ron为晶体管导通内阻。