新型三等分Wilkinson功分器在高效率功放中的應(yīng)用

陳 慰,陶學敏,趙 娜

(1.航天恒星空間技術(shù)應(yīng)用有限公司,西安 710077;2.重慶大學 通信工程學院,重慶 400030)

1 引 言

Doherty功率放大器理論于1936年由William H.Doherty在貝爾實驗室提出[1-2],已經(jīng)成為高效率、高線性射頻功放的主要實現(xiàn)形式之一。各類Doherty功率放大器電路前端和末端均需要功率分配和合成網(wǎng)絡(luò)對大功率射頻信號進行功率分配和合成。大功率合成技術(shù)主要有管芯合成、電路合成和空間合成以及其它合成形式[3-4],其中以固態(tài)器件為合成單元的電路級合成由于尺寸加工簡單、不易受波長等限制而得到了廣泛的應(yīng)用。在電路級合成中,相對于分支器電橋、Lange耦合器、環(huán)形電橋等3dB電橋來講,Wilkinson電橋的優(yōu)點是電路制作工藝容易,結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉,隔離端口無接地要求,電路的對稱性保證了信號的一致性和隔離度,隔離電阻可以進一步提高輸出端口的隔離度等指標[5]。微帶功分器按結(jié)構(gòu)分為二進制或者累進制等,按能量分配比分為等分的和不等分的,按分配路數(shù)分為兩路、三路、四路,以及由它們級聯(lián)形成的多路功率分配器[6]。

二進制功分器結(jié)構(gòu)簡單,理論分析容易,實際工程中應(yīng)用比較廣泛。兩路等分Wilkinson功分器一般采用二進制的對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計,三路等分功分器通常情況下也是采用二進制的設(shè)計方法,這樣設(shè)計雖然結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn),但是幾何尺寸上不對稱,三路相位一致性較差。為了應(yīng)用于新型對稱結(jié)構(gòu)三路Doherty高效率射頻功率放大器,本文采用累進制設(shè)計思路,提出一種對稱結(jié)構(gòu)三路等分Wilkinson功分器,主要采用ADS軟件聯(lián)合電磁仿真設(shè)計該三路等分功分器,滿足對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計要求,同時滿足Doherty功放對三路射頻信號相位一致性的要求。

2 三路功分器設(shè)計原理

Doherty功放前端的功率分配電路用于實現(xiàn)射頻信號的功率分配,可以由集成貼片電橋器件來實現(xiàn),也可以由Wilkinson微帶功分器實現(xiàn)。在功放電路設(shè)計過程中,微帶功分器的設(shè)計可以直接和功放電路同時進行PCB版圖設(shè)計,相對于集成貼片電橋,有制造加工成本低和電路可靠性高的優(yōu)點。

本文設(shè)計的對稱結(jié)構(gòu)三路Doherty功放其電路原理如圖1所示,工作頻段為2011～2017MHz,它由一個Carrier路功放和兩個Peak路功放組成。當輸入射頻信號功率較小時,Carrier路處于AB類工作狀態(tài);當Carrier路輸出功率接近飽和時,上下兩路Peak功放也同時開始工作,它們工作于C類狀態(tài)。

圖1 對稱結(jié)構(gòu)三路Doherty功放示意圖Fig.1 Geometry of symmetrical three-way Doherty PA

三路Doherty功放前端的功率分配電路同樣可以由Wilkinson微帶功分器來實現(xiàn)。傳統(tǒng)的三等分微帶功分器設(shè)計常采用二進制方法設(shè)計,如圖2所示,即先實現(xiàn)1∶2的不等功分,再實現(xiàn)第2分支的1∶1等功分,這樣二次分配來實現(xiàn)1∶1∶1的功率三等分。這樣的功分器雖然結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、隔離度高,但是有結(jié)構(gòu)不對稱、三路相位一致性差的缺點。為了滿足三路Doherty功放的對稱結(jié)構(gòu),設(shè)計的功分器也必須是對稱結(jié)構(gòu)的。三路Doherty功放上下兩路Peak功放在大功率情況下要求工作開啟時延一致,才能保證放大器得到高效率,這樣就要求功分器3個電臂具有很高的相位一致性,特別是上下兩臂的相位要求非常一致,因此也只能是對稱結(jié)構(gòu)才能夠滿足這樣的要求。

圖2 不對稱三路功分器示意圖Fig.2 Geometry of asymmetrical three-way power divider

圖3 對稱結(jié)構(gòu)三路功分器示意圖Fig.3 Geometry of symmetrical three-way power divider

本文設(shè)計的新型對稱結(jié)構(gòu)三路等分Wilkinson微帶功分器的工作頻段為2011～2017MHz,微帶電路基板采用美國Rogers公司型號為Rogers4350B的PCB板材,介質(zhì)相對介電常數(shù)εr=3.48,介質(zhì)厚度h=0.762mm,微帶線金屬銅厚 t=70μm,介質(zhì)損耗正切tan δ=0.0037。根據(jù)三路功分器的理論和三路Doherty功放的尺寸限制,計算出微帶線的基本參數(shù)初值[7]。如圖3所示,設(shè)功分器輸入端口源阻抗和三路終端負載阻抗均為Z0=50 Ψ,由阻抗匹配理論可知,分支處的阻抗并聯(lián)后應(yīng)等于50 Ψ,即從輸入端口看向功分網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該有

由于功率三等分,可得三路功分比為

三條λ/4分支線的阻抗為

這樣,通過λ/4阻抗變換器實現(xiàn)了從輸入端口的源阻抗到3個輸出端口的負載阻抗的阻抗匹配。

3 功分器ADS仿真模型的建立

根據(jù)理論分析計算的結(jié)果,結(jié)合Rogers4350B板材的參數(shù)可以計算得到工作頻段中心頻點 f0=2140MHz的特征阻抗Z0=50 Ψ微帶線寬度約為w0≈1.65mm,λ/4阻抗變換器 Z1=150 Ψ微帶線寬度約為 w1≈0.60mm,該頻點 λ/4線長約為 L≈21.34mm。利用ADS軟件進行電路原理圖仿真和版圖電磁聯(lián)合仿真,其ADS電路原理圖仿真如圖4所示,ADS版圖仿真如圖5所示。

圖4 功分器ADS電路原理圖仿真Fig.4 ADS schematic simulation of power divider

圖5 功分器ADS版圖仿真Fig.5 ADS layout simulation of power divider

進行ADS仿真參數(shù)優(yōu)化時需要考慮功分器結(jié)構(gòu)的對稱,電臂④由電臂②鏡像產(chǎn)生,以確保結(jié)構(gòu)尺寸完全一致,然后優(yōu)化電臂③的尺寸,同時還需要考慮電臂③的拐彎次數(shù),拐彎增多所帶來不連續(xù)效應(yīng),以及電臂②和④之間的距離所帶來的耦合作用等因素。

4 仿真測試結(jié)果與討論

對稱結(jié)構(gòu)三等分Wilkinson功分器電路ADS電磁聯(lián)合仿真結(jié)果如圖6～8所示。從仿真結(jié)果看,在工作頻率內(nèi),插入損耗最小為0.3dB,最大不超過0.4dB,且三路功率分配相差小于0.01dB,三路功率分配比非常一致。通過優(yōu)化電臂尺寸和隔離電阻阻值R,在中心頻點處,電臂②和④的插入損耗S21=S41,使得上下兩路Peak功放輸入鏈路的損耗相等,這說明設(shè)計的對稱結(jié)構(gòu)起到了關(guān)鍵作用。在工作頻段內(nèi),輸入端口①的回波損耗小于-13dB,輸出端口②、③、④的回波損耗在-25～-29dB之間。輸出端口②和④之間隔離度小于-16dB,輸出端口②和③之間、②和④之間隔離度小于-19dB,且隔離度S23=S34,再次證明對稱結(jié)構(gòu)在該功分器設(shè)計中起到的關(guān)鍵作用。

圖6 插入損耗的ADS仿真結(jié)果Fig.6 ADS simulation results of insertion loss

圖7 回波損耗的ADS仿真結(jié)果Fig.7 ADS simulation results of return loss

圖8 隔離度的ADS仿真結(jié)果Fig.8 ADS simulation results of isolation

圖9 三路功分器實物圖Fig.9 Fabrication of the three-way power divider

圖10 飽和功率、效率、增益測試曲線Fig.10 Testing results of saturation power,efficiency and gain

經(jīng)驗證明ADS軟件對無源微波器件的仿真結(jié)果準確性較高,因此沒有將設(shè)計的功分器電路單獨制作試驗?zāi)K電路進行測試驗證,而是直接應(yīng)用于功放電路,將仿真得到的功分器和功放電路一同進行PCB layout布局設(shè)計,功分器電路局部實物如圖9所示。對功放電路進行測試,以驗證功分器的性能,測試結(jié)果如圖10所示,該功放在輸出飽和功率時的效率高于典型的兩路Doherty功放效率[8-9],效率高于50%。這說明設(shè)計思路中,上下兩臂的Peak路功放同時開啟工作,推高輸出功率,提高飽和點效率的原理設(shè)計的正確性,也說明了三路對稱結(jié)構(gòu)功分器的設(shè)計在功放電路的設(shè)計中起到了關(guān)鍵作用,由于功分器結(jié)構(gòu)的完全對稱,使得上下兩臂Peak路功放可以同時開啟,且保證兩Peak路功放管工作狀態(tài)完全相同。功放良好的性能證明了設(shè)計的三等分功分器滿足了要求。

5 結(jié) 論

針對三路Doherty功放的應(yīng)用環(huán)境,本文設(shè)計了工作頻段為2011～2017MHz的對稱結(jié)構(gòu)三等分Wilkinson微帶功分器。首先簡要介紹了Doherty功放基本原理以及功放電路對前端功分器的設(shè)計要求,然后分析了二進制的三等分功分器在結(jié)構(gòu)上的不足之處。在此基礎(chǔ)之上,設(shè)計了對稱結(jié)構(gòu)三等分Wilkinson微帶功分器電路。ADS軟件聯(lián)合電磁仿真結(jié)果顯示,在工作頻段內(nèi),該功分器插入損耗小于0.4dB,輸出端口隔離度大于16dB,端口回波損耗大于13dB,各項指標良好。在適應(yīng)三路Doherty功放對稱結(jié)構(gòu)的前提下,功分器性能指標滿足功放電路三路相位一致性設(shè)計要求,提高了放大器效率,測試結(jié)果顯示功放電路在飽和點工作效率超過50%,高于通常的兩路Doherty功率放大器。該對稱結(jié)構(gòu)三路等分功分器在功放電路上應(yīng)用結(jié)果良好,驗證了分析方法和電路設(shè)計的正確性,顯示了該三路等分功分器良好的功分比、相位一致性、高隔離度、低插入損耗、良好的端口駐波比以及匹配性能。

本文的研究工作說明了三路對稱Doherty射頻功放電路的設(shè)計關(guān)鍵點除了功放管選型和功放鏈路設(shè)計之外,還應(yīng)該考慮前端三路功分器的設(shè)計,特別是對上下兩臂性能指標要求完全一致,是本課題的難點和關(guān)鍵點。此外,研究工作還說明,對于Doherty射頻功放的設(shè)計,后端設(shè)計何種類型的主鏈路、何種Carrier和Peak功放管的搭配模式,前端就應(yīng)該對應(yīng)設(shè)計相適應(yīng)的功分網(wǎng)絡(luò),以保證Carrier和Peak路功放的功率分配比例和功放管的工作狀態(tài),從而達到推高功放輸出功率和提高功放工作效率的設(shè)計目標。由于目前描述三路Doherty功放設(shè)計,或者三路Doherty功放中功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的文獻很少,因此本文的研究工作對三路Doherty功放電路中功率分配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計具有工程借鑒意義。

該功分器目前仍然存在一些問題,從仿真圖可以看出,端口②與④的隔離度較差,其原因是:由于對稱結(jié)構(gòu)上的限制,端口②與④之間沒有隔離電阻,造成了隔離度較差。在本次試驗版本電路中沒有特別要求提高端口②與④的隔離度,而特別強調(diào)要求提高端口②與③、③與④的隔離度的主要原因是,②與④端口的負載均為Peak大功放管,輸入功率量級相當,相互影響較小,而端口③的負載為Carrier路小功放管,輸入功率量級明顯小于②、④端口的負載,為了避免Peak路大功放管對Carrier小功放管產(chǎn)生影響,因此要求②與③、③與④的隔離度更高一些。同時,輸出端口③的回波損耗較大,也與隔離電阻的失配有關(guān)。為了進一步提高功放的性能,消除Peak路大功放管對Carrier路小功放管的影響、減小兩路Peak大功放之間的影響,優(yōu)化3個輸出端口的隔離電阻的設(shè)計,提高②與④端口的隔離度,降低端口③的回波損耗,是下一步功分器設(shè)計研究工作的關(guān)注重點問題。

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