彈載小型高增益功放雙共軛匹配設(shè)計(jì)方法

徐利平，陳斌虎，喬 飛，付 強(qiáng)

（1.機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2.西安機(jī)電信息研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

彈載無線電發(fā)射機(jī)安裝空間十分有限，而且需要在這有限的空間里安裝功率放大器、調(diào)制器、振蕩源、編碼器、通訊接口、電源板等多種設(shè)備，空間非常緊張，功放輸入信號(hào)小，輸出功率大，因此，需要精心設(shè)計(jì)小型化、高增益功率放大器。

對(duì)于小型化功率放大器，目前國內(nèi)外都做了大量研究、實(shí)驗(yàn)，成功研制了多種高性能小型化微波功率放大器模塊。但國外放大器產(chǎn)品不提供詳細(xì)設(shè)計(jì)資料，國內(nèi)這一工作還處于初級(jí)階段［1－2］。文獻(xiàn)［1］用管芯作為功率器件，采用負(fù)載牽引技術(shù)，通過諧波平衡法，進(jìn)行了增益為11.8 d B的大信號(hào)寬頻帶固態(tài)功率放大器設(shè)計(jì)，匹配電路由集總參數(shù)元件組成，集總參數(shù)元件值的不連續(xù)性不利于后期功放的調(diào)試。文獻(xiàn)［2］采用負(fù)載牽引技術(shù)對(duì)管芯進(jìn)行大信號(hào)參數(shù)提取，設(shè)計(jì)了S波段小型功率放大器模塊，增益只有9 d B，匹配電路由集總參數(shù)元件組成。負(fù)載牽引法設(shè)計(jì)系統(tǒng)較為復(fù)雜，需要一整套完整的測(cè)試系統(tǒng)［3－4］，成本較高，系統(tǒng)的初建與標(biāo)準(zhǔn)工作量較大，不利于推廣。文獻(xiàn)［5］在LDMOS管建模的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證并實(shí)現(xiàn)了單端AB類功率放大器，增益為14 d B，設(shè)計(jì)方法比較復(fù)雜。由于晶體管工藝和批次的不同，模型選擇也不同，增加了建模難度。文獻(xiàn)［6］針對(duì)負(fù)載牽引技術(shù)的不足，提出通過小信號(hào)S參數(shù)仿真設(shè)計(jì)功率放大器，工程應(yīng)用方便，但功放的增益只有11.5 d B，且由分布參數(shù)電路匹配，體積會(huì)比較大。

1 幾種傳統(tǒng)功率放大器設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)功率放大器的設(shè)計(jì)方法如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)功率放大法器設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 The flow chart of traditional power amplifier design

最佳負(fù)載的確定是以最大輸出功率為判斷標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)輸出功率達(dá)到最大時(shí)的負(fù)載為最佳負(fù)載。最佳負(fù)載的確定方法有測(cè)試法和仿真法。測(cè)試法即用負(fù)載牽引系統(tǒng)測(cè)試，但這種設(shè)備比較昂貴，不易推廣；仿真方法有負(fù)載牽引仿真法，該方法需要廠家提供非線性仿真模型，而大部分廠家只提供小信號(hào)S參數(shù)模型。還有一種仿真方法是運(yùn)用小信號(hào)S參數(shù)進(jìn)行仿真提取最佳負(fù)載參數(shù)值［6］。

傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的功率放大器的增益大多數(shù)不高，且匹配電路的設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用集總參數(shù)元件或者分布參數(shù)元件。由于集總參數(shù)元件值的不連續(xù)性不利于后期功放的調(diào)試，而分布參數(shù)電路大多數(shù)時(shí)候占用面積比較大，不利于小型化設(shè)計(jì)。

安捷倫公司的ADS（Advanced Design System）軟件可在 Windows環(huán)境下，采用交互式圖形界面對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)便快捷、功能強(qiáng)大。它提供了電路的仿真、優(yōu)化環(huán)境，可用輸入、輸出反射損耗、Smit h圓圖等多種形式輸出電路的散射矩陣。因此是快速正確分析設(shè)計(jì)射頻電路的有效工具。

雙共軛匹配法是使晶體管輸入端與輸出端分別與源負(fù)載共軛匹配，該方法可獲得高的功率增益，晶體管既能從信源處輸入最大功率，又能輸出最大功率給負(fù)載。

雙共軛匹配需要晶體管處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，所以設(shè)計(jì)前需要首先保證晶體管處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，否則需要首先穩(wěn)定晶體管。晶體管穩(wěn)定化措施就是通過電阻加載晶體管的輸入、輸出端或使用輸入、輸出端反饋使穩(wěn)定系數(shù)K在任意頻率處大于1，保證電路的穩(wěn)定性［7－9］。

2 彈載高增益功率放大器的雙共軛匹配方法

選用小體積、高增益器件。為減少放大鏈路的級(jí)數(shù)擬選用三級(jí)放大鏈路，每級(jí)器件的供電和偏置電路盡量一致、簡(jiǎn)單。在低頻段，集總參數(shù)元件的寄生參量等因素對(duì)整個(gè)電路的影響比較小，所以，偏置電路盡量使用集總參數(shù)元件，有利于小型化設(shè)計(jì)。

雙共軛匹配法設(shè)計(jì)功率放大器的流程圖如圖2所示。

圖2 雙共軛匹配法設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 The flow chart of Bi－conjugated Matching design method

與圖1比較，“最佳負(fù)載確定”變?yōu)椤拜斎耄敵鲎杩勾_定”。將廠家提供的小信號(hào)S參數(shù)模型加載到ADS軟件，然后經(jīng)過穩(wěn)定性仿真使晶體管處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。然后在S參數(shù)模型前后加50Ω負(fù)載后經(jīng)過S參數(shù)仿真，確定所要設(shè)計(jì)頻點(diǎn)下功率放大器的輸入、輸出阻抗，然后再經(jīng)過S參數(shù)仿真設(shè)計(jì)匹配電路，將該頻點(diǎn)下輸入、輸出阻抗匹配到50Ω。即在絕對(duì)穩(wěn)定的條件下，當(dāng)源、負(fù)載反射系數(shù)ΓS、ΓL分別取晶體管輸入、輸出反射系數(shù)的共軛匹配值ΓMS、ΓML時(shí)，可得到最大的功率增益。ΓMS、ΓML表達(dá)式如式（1）所示。

式（1）中，

輸入、輸出匹配電路采用雙共軛匹配可以有效地提高功率放大器的功率增益，晶體管既能從信源處輸入最大功率，又能輸出最大功率給負(fù)載。設(shè)計(jì)中可利用ADS軟件自帶的優(yōu)化仿真控件對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

匹配電路的設(shè)計(jì)由單純的集總參數(shù)元件或分布參數(shù)元件電路設(shè)計(jì)，變?yōu)榧偅植紖?shù)元件混合設(shè)計(jì)。采用微帶線和電容串、并聯(lián)設(shè)計(jì)輸入輸出匹配電路，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是電路形式簡(jiǎn)單、低通特性良好，完成加工后也能進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。改變電容的量值以及電容在傳輸線上的位置就可以得到較寬的電路參數(shù)調(diào)整范圍，可兼顧小型化、增益及輸出功率間的平衡，有利于電路設(shè)計(jì)。

雖然已經(jīng)為每級(jí)功放都設(shè)計(jì)了輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，但這個(gè)匹配僅僅在一個(gè)點(diǎn)上，不可能在整個(gè)頻帶內(nèi)都實(shí)現(xiàn)完全匹配，因此在某些頻率點(diǎn)上功率反射是很嚴(yán)重的。如果各級(jí)功放直接相連，且在信號(hào)和分布參數(shù)等發(fā)生變化產(chǎn)生較為嚴(yán)重的失配的情況下，功率信號(hào)將在兩級(jí)間來回反射，從而形成很強(qiáng)的自激振蕩，嚴(yán)重的情況將會(huì)燒毀功放器件。所以為保證前級(jí)放大器與末級(jí)功率放大器的良好級(jí)聯(lián)和匹配，在兩極放大器中間加一個(gè)Π型衰減網(wǎng)絡(luò)，來調(diào)整整個(gè)功放的增益和前后級(jí)的匹配度。

3 功率放大器穩(wěn)定性、匹配仿真及增益測(cè)試驗(yàn)證

3.1 功率放大器的穩(wěn)定性仿真

采用雙共軛匹配法設(shè)計(jì)功率放大器需要晶體管處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，需要首先進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

功率放大器的穩(wěn)定系數(shù)、源反射系數(shù)、負(fù)載反射系數(shù)及增益都是S參數(shù)的函數(shù)。將廠家提供的S參數(shù)文件載入ADS軟件，通過ADS軟件建模仿真如下。

由圖3的功放芯片穩(wěn)定化前穩(wěn)定系數(shù)K仿真曲線可見，695 M以下穩(wěn)定系數(shù)K小于1，功率放大器具有潛在的不穩(wěn)定性，必須首先對(duì)放大器進(jìn)行穩(wěn)定化。

圖3 穩(wěn)定化前功率放大器的穩(wěn)定系數(shù)曲線Fig.3 The stability factor curve of the power a mplifier before stabilization

晶體管穩(wěn)定化措施就是通過電阻加載晶體管的輸入、輸出端或使用輸入、輸出端反饋使穩(wěn)定系數(shù)K在任意頻率大于1，保證電路的穩(wěn)定性。

通過輸入端加載電阻、電容穩(wěn)定后穩(wěn)定系數(shù)K的仿真曲線如圖4所示，可見，功率放大器的穩(wěn)定系數(shù)K在任何頻率點(diǎn)都大于等于1，已經(jīng)處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。接下來可以對(duì)功率放大器進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)。

圖4 穩(wěn)定化后功率放大器穩(wěn)定系數(shù)曲線Fig.4 The stability factor curve of the power amplifier after stabilization

3.2 小型化高增益功率放大器的阻抗匹配和增益仿真

阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是晶體管功率放大器與其他網(wǎng)絡(luò)相連接時(shí)保證最大功率傳輸所必不可少的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它關(guān)系到功率放大器的穩(wěn)定性、增益、輸出功率及尺寸等一系列指標(biāo)的好壞。為了獲得高的增益我們采用雙共軛匹配法設(shè)計(jì)輸入、輸出匹配電路。

輸出匹配電路主要應(yīng)具備損耗低，提高輸出功率等功能。由于電感比電容有更高的電阻性損耗，所以在此類電路中通常避免使用電感。我們采用微帶線和電容串、并聯(lián)設(shè)計(jì)輸入輸出匹配電路，這種電路完成加工后也能進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。改變電容的量值以及電容在傳輸線上的位置就可以得到較寬的電路參數(shù)調(diào)整范圍，在滿足增益的基礎(chǔ)上得到足夠大的輸出功率，有利于電路設(shè)計(jì)。輸入、輸出匹配電路反射損耗曲線如5圖和圖6所示，說明輸入、輸出端口都得到了很好的匹配。

圖5 輸出匹配電路反射損耗圖Fig.5 The retur n loss curve of output matching circuit

圖6 輸入匹配電路反射損耗圖Fig.6 The return loss curve of input matching circuit

在輸入、輸出端實(shí)現(xiàn)共軛匹配后，信號(hào)的功率增益最大，如圖7所示，增益接近60 d B，相比傳統(tǒng)的功率放大器，增益大幅度提高。

圖7 輸出信號(hào)增益圖Fig.7 The figure of out put signal gain

3.3 小型化高增益功率放大器的測(cè)試驗(yàn)證

彈載小型化高增益功率放大器的實(shí)物如圖8所示。輸入、輸出匹配電路采用微帶線和電容串、并聯(lián)的模式。測(cè)試平臺(tái)為穩(wěn)壓電源、微波信號(hào)源和頻譜分析儀。以增益和1 d B壓縮點(diǎn)功率作為指標(biāo)，調(diào)整電容的容值和在微帶線上的位置使之達(dá)到當(dāng)前的最佳狀態(tài)，在工作頻段內(nèi)有盡可能高的增益和大的輸出功率，同時(shí)消除功放的異常現(xiàn)象。

圖8 小型化高增益功率放大器實(shí)物Fig.8 Miniature and High-gain Power Amplifier

測(cè)試方法為用微波信號(hào)源產(chǎn)生不同功率的信號(hào)輸入功率放大器，用頻譜儀檢測(cè)輸出信號(hào)功率。頻譜儀的輸入端加30 d B的衰減器。

首先輸入小信號(hào)，測(cè)出功率放大器的在線性工作狀態(tài)下的增益，然后逐漸增大輸入功率，功率放大器會(huì)逐漸進(jìn)入非線性工作狀態(tài)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生增益壓縮。當(dāng)增益壓縮達(dá)到1 d B時(shí)此時(shí)的輸出功率為1 d B壓縮點(diǎn)，這時(shí)的輸出功率為線性功率放大器的最大輸出功率。計(jì)算出不同輸入功率下的增益和增益壓縮如表1所示。

由表1可知，通過小信號(hào)S參數(shù)仿真法設(shè)計(jì)的高增益功率放大器的最大增益為59.6 d B，當(dāng)輸入功率增大到－28 d B時(shí)輸出增益降到58.7 d B，增益壓縮為0.9 d B，接近1 d B，此時(shí)輸出功率為30.7 d Bm，即最大線性輸出功率為30.7 d Bm。傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的小型化功率放大器增益一般比較低，在9～14 d B左右。相比較，增益提高44.7 d B，且功放的大小只有Φ28 mm×4 mm，證明本文提出的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的功率放大器的增益得到大幅度提高，且體積很小。

表1 輸出功率及增益壓縮測(cè)試Tab.1 Output power and gain compressing test

3.4 外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

為外場(chǎng)拉距試驗(yàn)裝配了兩套樣機(jī)。拉距試驗(yàn)時(shí)，發(fā)射機(jī)位置距地面高80 m，接收機(jī)距發(fā)射機(jī)水平距離15 k m，兩套樣機(jī)各測(cè)試數(shù)次，接收狀態(tài)良好。

通過外場(chǎng)試驗(yàn)證明用該方式設(shè)計(jì)的小型化、高增益功率放大器性能良好。

4 結(jié)論

本文提出彈載小型化高增益功率放大器的雙共軛匹配設(shè)計(jì)法，選用體積小、增益高、供電電壓一致的芯片，利用芯片廠家提供的小信號(hào)S參數(shù)模型，載入ADS軟件，進(jìn)行雙共軛匹配仿真，確定功放的匹配電路，將輸入、輸出阻抗匹配到50Ω。匹配電路采用微帶線和電容串、并聯(lián)的方式，有利于小型化、增益、輸出功率之間的平衡。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，通過該方法設(shè)計(jì)的功率放大器功率增益接近60 d B。制板后實(shí)物實(shí)測(cè)得到的最大增益為59.6 d B，且體積很小，兩套樣機(jī)經(jīng)過15 k m拉距試驗(yàn)證明功放工作狀態(tài)均正常，性能良好。測(cè)試和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了通過該方法可以有效地提高功率放大器的增益，并且功放體積小、性能良好。研究成果可用于各種彈載小型化無線電發(fā)射機(jī)中。

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