放大器设计中的谐波终止

该射频功率放大器可以使用谐波终止来设计输出频率内容。

阅读放大器类就像阅读字母表一样，功率放大器的规格列表可能会令人困惑。如果你观察不同功率放大器的输出波形，回想一下关于周期信号的傅立叶级数的课程，你就会知道一些放大器课程使用一些基本的波形工程技术来产生所需的输出。如何从放大器输出中创建所需的波形，无论是PCB级还是封装级?

进入谐波终止。这种简单的技术是通过添加或删除一些谐波内容来设计功率放大器的输出波形。做到这一点的标准方法是利用功率放大器电路输入或输出上的传输线共振。这允许放大器输出中的不同谐波被调谐，以产生所需的波形。下面介绍如何利用传输线共振作为谐波终止的一部分。

额外的谐波从何而来?

回答这个问题需要对用于放大器的晶体管以及它们如何在频域形成波形。不同的放大器类别有不同的拓扑结构，可能运行在饱和或接近饱和。下面的图表显示了一些理想的输出波形，不同的放大器类别时驱动的正弦波与一些直流偏置。

放大器类别，输出波形，和理想的效率。

在线性范围内驱动的唯一一类放大器是a类放大器，其输出仅仅是输入正弦波的放大版本。理想情况下，输出中没有额外的谐波内容。类AB, B和C可以被认为是具有整流线性输出，但正极性和负极性信号可以重新组合以重建输入正弦波。

较高的类(D到T)被设计用来输出初始输入正弦波形，再加上一些额外的谐波内容。有两种方法可以产生额外的谐波内容:

• 添加一些额外的输入谐波内容(例如，方波或锯齿波源)，并使放大器在线性状态下运行。在这种情况下，效率会降低。

• 在严重饱和状态下运行放大器。这将产生一些更高阶的谐波含量，从而在输出中提供了较高的理想效率。

一些射频产品的功率放大器，如J类和F类功率放大器，在饱和区大量运行，有一些直流偏移，额外的谐波含量提供了更高的有效效率。波形整形是通过提供特定频率的共振和从输出中去除某些频率来实现的。这是谐波终止的中心理想。

利用传输线和LC电路进行谐波终止

如果你能控制放大器输出中的无限次谐波，那么放大器的效率将接近100%。在实践中，强控制只适用于特定的谐波，只有一些输出谐波将占主导地位。使用一个串联或槽式LC电路是一种在输出频谱中特定谐波处提供共振的有效方法。基本谐波的整数倍(偶数或奇数)也可以使用具有指定特性阻抗的短传输线进行控制。

使用串联和/或槽LC电路

将串联LC电路作为从栅极输入到地或从输出到地的分流元件，将提供特定频率的谐振。换句话说，在这个频率的阻抗将为零，所以电流将被短路到地。如果使用LC槽电路，在所需频率的阻抗将是无穷大的。这些电路提供了一种通过加强或消除正弦输入的特定谐波来调整输出波形的简单方法。

LC槽电路放置为分流元件，以放大输出上的单个谐波电压。

2阶和3阶谐波对波形形成最重要，因为它们具有最高的强度，因此任何LC电路都需要设计为针对这些特定频率的带通或带阻滤波器，作为谐波终止的一部分。请注意，连接到负载的线路也是传输线，将需要与所需的设计特性阻抗．

使用谐振传输线

在这一策略中，目标是设计一条传输线，其长度在特定频率下提供强烈的共振。这是通过考虑线路的输入阻抗来实现的。第n次谐波看到的输入阻抗可以写成谐波数n的函数:

谐波终止无损传输线输入阻抗

如果线路被放置为分流元件，你的目标是调整这样的输入阻抗在一个理想的谐波是无穷大或零。同样的条件将适用于下一个更高的偶次或奇次谐波。同样的想法适用于晶体管输出和负载之间的串联线，尽管负载阻抗需要包括在内。

功率放大电路的设计和仿真工具

由于功率晶体管的输出和输入电容是高度非线性的，涉及谐振传输线的谐波终止仿真可能相当复杂。一般来说，场效应晶体管的栅极和漏源电容随着栅极源电压的增加而增加。这在GaN hemt和mosfet中是一个已知的效应，仿真模型在模拟放大器行为时需要包括这个非线性电容的来源。这也使得在饱和工作的多级放大器中使用谐波终止变得复杂，这也需要使用load-pull分析最大限度地转移能量。

功率放大器的设计和仿真需要正确的设置PCB设计和分析软件创建谐波终止所需的LC电路或传输线。Allegro PCB DesignerCadence提供行业标准的PCB设计工具分析工具套件．您将有机会使用任何放大器拓扑创建强大的新RF产品所需的设计功能。

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