1. 设计目标

• 工作频率：2.4 GHz（可根据需求调整）

• 功率输出：10 W

• 效率：≥ 80%

• 器件选择：GaN HEMT（例如 Cree/Wolfspeed CGH40010F）

• 电源电压：28V

• 调谐谐波：基波、二次谐波、三次谐波优化

2. 设计思路

1. 选定有源器件

• 选择适合的高频高功率晶体管，如 GaN HEMT，以提供高增益和高效率。

2. 谐波控制网络设计

• 基波匹配（Fundamental, f0）：确保功率传输最大化。

• 二次谐波（2f0）：短路（短路 stub 或并联谐振电路）。

• 三次谐波（3f0）：开路（开路 stub 或串联谐振电路）。

3. 负载拉普（Load Pull）优化

• 通过 ADS/HFSS 进行负载牵引分析，确定最佳负载阻抗。

4. 匹配网络设计

• 采用低损耗的传输线匹配网络，以匹配输入和输出阻抗。

• 低通滤波器（LPF）设计，抑制不必要的谐波，提高波形质量。

5. 偏置电路

• 采用 Class F 的深度饱和模式，在 Vgs = -3V，Vds = 28V 下工作。

3. 详细设计步骤

(1) 选定有源器件

• 采用 GaN HEMT（如 CGH40010F），提供高功率密度和高效率。

(2) 负载阻抗匹配

• 通过负载牵引（Load Pull）测试，确定最佳阻抗。

• 假设最佳负载阻抗为 Zload = (10 + j5) Ω。

(3) 谐波调控网络

• 基波 (f0)： 设计阻抗匹配网络，最大化基波功率输出。

• 二次谐波 (2f0)： 短路 stub（λ/4 传输线）用于短路二次谐波。

• 三次谐波 (3f0)： 开路 stub（λ/6 传输线）用于开路三次谐波。

(4) 设计低通滤波器

• 采用 Chebyshev 低通滤波器，抑制高次谐波，提高波形质量。

(5) 仿真与优化

• 在 ADS/HFSS 进行 S 参数仿真，优化匹配网络和效率。

• 进行瞬态分析，确保输出波形接近方波，提高效率。

4. 预期性能

参数

目标值

5. 结论

本设计方案通过 GaN HEMT 进行 F 级放大，采用基波匹配+二次谐波短路+三次谐波开路的方式，提高效率至 80% 以上。可通过 ADS 进行仿真优化，确保最佳负载阻抗匹配和谐波控制，提高功率传输效率。