近年来，高速率和高数据传输率的无线通信与日俱增，窄带通信系统依然不能满足要求，而宽带技术作为一种重要的无线传输技术，能够在较宽的频率范围内以更低的功耗，更高的传输速率更高的安全性进行短距离通信，被认为是最有发展前景的无线电技术之一。此外，该技术作为基础通信技术，在目前兴起的物联网应用中，亦将发挥重大作用。[3] 在射频功率放大器的设计中，由于受限半导体材料和实际电路中存在的不稳定性因素造成的非线性对整个射频电路系统的影响是非常大的，并且非线性的存在使得信号的处理变的非常困难。因此，非线性技术是一个研究难点。随着技术和微控制技术的出现而发展出来的线性化处理技术如正负反馈技术和包络消除等广泛应用于功率放大器电路中，使得射频功率放大器在低频段及毫米波段都能实现较高的效率和线性度。 下面介绍几个主要指标 一．效率 功率放大器由于其较大的输出功率，集电极上的电源功率很高。在能量转换过程中会有一部分功率损耗，这就存在一个能量利用率的问题，即效率。功放的效率是重要指标之一，它的定义一般采用集电极效率和功率附加效率（定义功率放大器的效率。 （1）集电极效率 集电极效率定义为功率管集电极输出的有用功率比上电源提供的直流功率，用符号表示，即
式中，为功率管的功耗。由式可知，在相同功率输出情况下，直流电源提供的直流功率越小，对应为功率管的内部功耗越小。[4] （2）功率附加效率 功率附加效率定义为输出功率与输入功率的差与电源提供的直流功率之比，即
PAE的定义中包含了功率放大管本身的功率增益，由上式可知，当输出功率远大于输入功率，即管子增益非常大，有集电极效率。约等于功率附加效率PAE。 放大器的功率増益 对于一个简单的一级射频晶体管放大电路如图所示，放大器电路一般包括半导体放大元器件，输入匹配网络和输出匹配网络。图中为信源内阻抗，为负载阻抗，其中是指从放大元器件往信号源方向看进去的等效信源阻抗，并不是标准的欧姆。[5] 射频功率放大器的设计中，功率增益是在设计时必须考虑的关键指标，其定义方式有不同形式。图为普通单级放大器电路的信号流图，电路中存在种功率电平： Pin：信号源注入到放大元器件网络的功率。
Pavs：在共轭匹配时，二端口网络从信源得到的最大功率（资用功率）。
Pl：传递到功率放大器负载上的功率。
Pavn：在共辄匹配时放大器的负载从网络中得到的最大资用功率。
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图1 直流偏置电路图 Ｆ类射频攻放设计中核心器件是晶体管，直流偏置电路是不可缺少的一部分，它为功放提供偏置电源，即在特定的工作条件下为有源器件提供适当的静态工作点，并抑制温度变化导致的工作点偏移的影响。由于本设计中采用的是 MOSFET，这种晶体管由于属于压控器件，栅级几乎没有电流，因此可以采用简单的分压形式就可以实现偏置网络设计。通常希望偏置电路的连接不影响原匹配网络的交流性能，这就要求偏置电路对高频信号相当于开路。所以，偏置网络不仅要设定直流工作状态，还要保证直流偏置与射频信号的相互隔离。在本设计中由于频率相对偏低选择电路结构相对较为简单的集中参数电路进行偏置设计[6-8]。偏置网络，它要求所采用的射频扼流圈具有足够高的自谐振频率，同时又能够在低频提供足够大的电感量对低频成分进行抑制，主流偏置网络采用分布参数式的偏置网络结构，电路图如图1所示，采用多个具有不同电感值的电感串联作为扼流圈，提高偏置网络在高低频段的适用性，最终元器件参数确定需要根据S参数仿真确定，同时实际制作中还要考虑主回路上元器件的通流性。
放大器的稳定性，是放大器设计中需要考虑的非常重要的因素。稳定性取决于晶体管的S参数、匹配网络以及置端条件。绝对稳定的充分必要条件表述为：
其中，kgt;1,｜Delta;｜lt;1, Delta;=s11s22-s12s21。 如果klt;1，则表示电路不稳定，设计中通过添加负反馈以及在输入端添加有耗匹配网络来使得晶体管在整个工作频带内稳定，使得最终设计实现kgt;1。反馈电路如图2所示。
图2 在放大电路中MOS管的源级和漏极之间增加由电阻、电容、电感构成的反馈回路，同时在输入端加入了有耗匹配电路，由一个电容和电阻构成，通过加入并联电容，有效压低低频部分的增益，同时对高频部分的增益产生较小的影响，对晶体管的增益滚将进行一个补偿。
阻抗匹配是功率放大的重要环境，阻抗不匹配就会发生信号反射，放大效率降低，同时发射信号会与输入信号叠加，使得输出信号失真。功率管的输出功率在不同频率下是不同的，一般来说随着频率增高，功率管的输出功率降低，功率管的最优输出阻抗也是随频率变化的，因此为了在整个工作频带内进行较好的阻抗匹配，必须求出不同频率下的最优输出阻抗值。设计中采用负载牵引法进行信号阻抗匹配，将信号频带分成多段，在不同频率下负载牵引的最优输出阻抗值，通过ADS仿真得到阻抗设计表，仿真过程中通过多级LC阻抗匹配网络进行匹配，实际设计中通过PCB上的微带线替换仿真图中的电感。输出阻抗匹配网络电路如图3所示。
图3 输出阻抗匹配网络电路
输入网络阻抗匹配方法与输出阻抗匹配方法类似，同样采用负载牵引法进行设计，对不同频段分别设计最优匹配结果。电路图如图4所示。
图4 输出阻抗匹配网络电路
图5 F类功放基本结构图 F类射频功率放大器基本结构图如图5所示，由输入阻抗匹配电路、直流偏置电路、晶体管放大电路、输出阻抗匹配电路构成，放大电路的主题采用有源匹配式放大器进行设计，放大电路结构采用共源极放大。结合五部分电路设计，通过ADS仿真软件对所设计的功率放大电路、偏置电路、输入输出阻抗匹配电路进行原理图进设计验证整体功率放大电路图如图6所示。
图6 F类功放整体电路图 6 实际器件仿真 对于实际器件仿真，在射频功率放大电路中主要对晶体管和电感进行仿真，选择不同的晶体管，有不同的频率和放大特性，在射频电路中晶体管的寄生参数影响也非常明显，在仿真软件中输入晶体管相关参数，通过仿真对比不同晶体管的性能，最后选择合适的器件。 7实际器件和版图联合仿真 实际设计过程中，版图的设计成功与否是整个电路实现的关键环节，为了能实际目标阻抗设计，需要通过仿真计算，采用合适的板层结构，板厚、板材介质常数、铜厚、过孔等，通过版图的铜箔设计，替代射频电路中阻抗匹配和反馈回路中的一些电感和电容，实现低感值和容值设计。 [1]陈玉梅，曾慧敏，范焘：射频宽带功率放大器设计*（四川理工学院自动化与电子信息学院，四川自贡，643000） [2] Kenle Chen, Dimitrios Peroulis. Design of Broadband Highly Efficient Harmonic-Tuned Power Amplifier Using In-Band Continuous Class-F-1/F Mode Transferring [J]. IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, 2012, 60(12): 4107-4116. [3] Peter Wright, Jonathan Lees, Johannes Benedikt, Paul J. Tasker, Steve C. Cripps. A Methodology for Realizing High Efficiency Class-J in a Linear and Broadband PA [J]. IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, 2009, 57(12):3196-3204. [4]宫为保，宽带射频功率放大器的匹配电路设计，广播电视信息，2010.（9）,68-70 [5]范志蔚，刘太君，何加铭，屠秋萍，余家家，叶焱，宽带高效线性功率放大器研究（宁波大学通信技术研究所，浙江宁波，315211） [6]杨贤松，用ads进行宽带微波功放的仿真设计（J），通信对抗，2006,55257 [7]赵文刚，钟乐海，基于射频宽带功放电路特性的改善及其实现[J]，现代电子技术，2007,21（260）：32-33 [8]徐刚杨，宽带射频功率放大器设计，（北方工业大学，TN722.75） |
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