225 MHz ～512 MHz 寬帶功放設(shè)計(jì)與仿真

任 勇，胡耀明 ，潘 鳴

(1.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，杭州310018;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十研究所，上海200063)

功率放大器是射頻前端的關(guān)鍵部件，它在現(xiàn)代無線電子系統(tǒng)中起著無可替代的作用。隨著現(xiàn)代移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展，對(duì)功率放大器的帶寬和輸出功率提出了越來越高的要求。超寬帶、大功率的放大器應(yīng)用前景廣闊。特別是在電子戰(zhàn)設(shè)備中應(yīng)用極為廣泛，這些系統(tǒng)一般要求放大器有高穩(wěn)定性、寬頻帶、高增益、低的輸入和輸出駐波比以及良好的平坦度。用傳統(tǒng)的窄帶功放設(shè)計(jì)方法很難同時(shí)滿足這些要求，必須利用寬帶功放的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。比如寬帶放大器需要特有的寬帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)定化技術(shù)。

1 系統(tǒng)主要指標(biāo)和整體設(shè)計(jì)方案

1.1 功放指標(biāo)要求

寬帶功放的主要指標(biāo)要求:

工作頻率:225 MHz ～512 MHz;增益:≥22 dB;輸入輸出駐波比:VSWR≤1.4 ∶1;增益平坦度:≤1.1 dB;輸出功率:≥43 dBm。

1.2 設(shè)計(jì)方案

為了達(dá)到工作頻帶內(nèi)的增益平坦度和輸入輸出駐波比要求，采用了平衡結(jié)構(gòu)和負(fù)反饋技術(shù)相結(jié)合的方法;同時(shí)為了獲得寬帶匹配，采用了傳輸線變壓器和微帶混合匹配電路進(jìn)行輸入和輸出匹配電路設(shè)計(jì)，結(jié)合穩(wěn)定化措施，設(shè)計(jì)出符合指標(biāo)要求的寬帶功率放大器。整個(gè)功放由輸入輸出耦合器、傳輸線變壓器、輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)、反饋網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)定化電路組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體框圖如圖1 所示。

圖1 寬帶功放系統(tǒng)框圖

2 寬帶射頻功放設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)功放，首先要根據(jù)指標(biāo)要求選擇一個(gè)合適的功放管。其中最重要的兩個(gè)指標(biāo)是輸出功率和頻率，BLF881 工作頻段為HF ～1 GHz，主要用于寬帶功放設(shè)計(jì);1 dB 壓縮點(diǎn)的輸出功率為51.7 dBm，比預(yù)定指標(biāo)43 dBm 大了近9 dBm。這樣選擇主要是考慮到線性度，本次設(shè)計(jì)沒有運(yùn)用線性化技術(shù)，所以用回退功率來保證功放的線性度要求。綜合其它指標(biāo)，如增益、駐波系數(shù)等，功放管選擇了NXP 的BLF881。

2.1 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

要設(shè)計(jì)一個(gè)合適的寬帶放大器，必須在放大器增益最大時(shí)進(jìn)行抑制。一種實(shí)現(xiàn)的方法是:在低頻提供較差的匹配，而在增益較低的高頻提供合適的匹配。這就會(huì)導(dǎo)致在通帶內(nèi)很多種阻抗不匹配，所以要保證放大器在所有的頻率上的穩(wěn)定性，必須采取相應(yīng)的穩(wěn)定化措施［1］。穩(wěn)定性取決于晶體管的S參數(shù)、匹配網(wǎng)絡(luò)及置端條件。絕對(duì)穩(wěn)定的充分必要條件表述為［2］:

MOSFET 功率晶體管的穩(wěn)定化措施通常有:柵極電阻加載、漏極電阻加載和漏－柵反饋。BLF881在工作頻段內(nèi)并不滿足以上的穩(wěn)定條件，在柵極輸入端串聯(lián)電阻和電容來改善穩(wěn)定性，通過ADS 仿真優(yōu)化得到相應(yīng)的理想?yún)?shù):R=5 Ω，C=230 pF，保證功放管處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)下工作。

2.2 負(fù)反饋電路設(shè)計(jì)

一般情況下，功率增益隨頻率以6 dB/倍頻程的速率下降。由于工作頻帶很寬，必須對(duì)增益滾降采取措施，使工作頻段內(nèi)增益平坦度減小。匹配須提供一個(gè)隨頻率按正斜率變化的增益，以補(bǔ)償晶體管的滾降。本文采用負(fù)反饋技術(shù)來展寬放大器的帶寬，獲得平坦的增益，降低輸入輸出駐波比。反饋電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 負(fù)反饋方案寬帶設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

反饋網(wǎng)絡(luò)由電阻Rf、電感Lf、電容Cf構(gòu)成，電阻取值可以有下式計(jì)算:［3］

式中，Z0是特征阻抗，S21是S 參數(shù)中的正向傳輸系數(shù)。電阻Rf的值決定放大器的增益、帶寬及噪聲系數(shù)。反饋電感Lf的作用是減少高頻段的反饋效應(yīng)以抑制高頻時(shí)增益的降低;電容在這里的主要作用是“隔直通交”。本次設(shè)計(jì)中，僅僅依靠匹配電路難以實(shí)現(xiàn)增益平坦度的要求，在漏極和柵極之間串聯(lián)了電感和電阻構(gòu)成負(fù)反饋，優(yōu)化得到理想?yún)?shù)為L(zhǎng)=17.6 nH，R=186 Ω

2.3 寬帶匹配電路設(shè)計(jì)

根據(jù)微波理論，要實(shí)現(xiàn)最大的功率傳輸，必須使負(fù)載阻抗和源阻抗相匹配。寬帶匹配電路一般采用EDA 軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文通過負(fù)載牽引法［4］得到最佳的負(fù)載和源阻抗，采用微帶混合匹配電路和傳輸線變壓器獲得良好的寬帶匹配。

2.3.1 傳輸線變壓器在寬帶匹配中的應(yīng)用

傳輸線變壓器是一種較為理想的耦合及匹配元件，大大的展寬了響應(yīng)頻帶，解決了傳統(tǒng)變壓器難于克服的高頻響應(yīng)問題，傳輸線變壓器的使用頻率范圍已超過2 GHz。在實(shí)際的使用當(dāng)中，經(jīng)常用到4 ∶1、9 ∶1、16 ∶1的阻抗變換器。此外，傳輸線變壓器還可以實(shí)現(xiàn)平衡和不平衡之間的轉(zhuǎn)換。改變同軸電纜的繞法和連接方式還可以得到其他特殊比值的阻抗變換器［5］。4 ∶1阻抗變換原理如圖3 所示，傳輸線變壓器始末電壓電流電阻關(guān)系式為:

因此可以得出Rin=4RL

圖3 4 ∶1阻抗變換

其中傳輸線的特征阻抗和長(zhǎng)度要滿足以下要求［6］:

式中:λmin是對(duì)應(yīng)于頻帶高端fmax的傳輸線的最小波長(zhǎng)，Z0為雙絞線或同軸線特性阻抗，fl為最低工作頻率。根據(jù)工作頻率范圍，選擇50 mm UT－047(25 Ω)同軸線外加兩個(gè)Fair－Rite 2861002402 磁環(huán)制成輸入端的變壓器;在輸出端由于功率大，選擇50 mm UT－085C－15(15 Ω)同軸線外加一個(gè)磁環(huán)Fair－Rite 2861000202 制成輸出端的變壓器。根據(jù)負(fù)載牽引所得的最佳源阻抗和最佳負(fù)載阻抗，將傳輸線分別接成4 ∶1和1 ∶4變壓器用于輸入和輸出阻抗變換。

2.3.2 微帶混合匹配電路

在微帶混合匹配電路中，通常電感元件采用一段高阻微帶線來實(shí)現(xiàn)，而電容元件往往采用集總參數(shù)的微調(diào)電容。在功率放大器中，微帶線主要做器件的輸入、輸出、級(jí)間匹配電路及供電電路?；镜脑O(shè)計(jì)過程包括:使用周期LC 結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)牟季趾陀?jì)算參數(shù)形成低通階梯二形網(wǎng)絡(luò);單獨(dú)的π 形節(jié)連續(xù)的被對(duì)應(yīng)的分布網(wǎng)絡(luò)代替［7］;優(yōu)化整個(gè)混合匹配結(jié)構(gòu)，改善總體性能。為了達(dá)到帶寬和平坦度要求，沿著等Q(Q=1)圓進(jìn)行匹配電路設(shè)計(jì)。

2.4 平衡式放大器

平衡放大器技術(shù)是一種既實(shí)用又普遍的寬帶放大器設(shè)計(jì)方法，由此所設(shè)計(jì)的放大器具有平坦的功率增益頻率響應(yīng)，對(duì)微波固態(tài)放大器還具有良好的輸入、輸出VSWR。一個(gè)平衡放大器由兩個(gè)正交耦合器組成，一個(gè)位于輸入端，另一個(gè)位于輸出端。由圖4 可見，3 dB 的輸入藕合器將輸入功率等分為具有90°相差的兩路信號(hào)分別從端口2 和端口4 輸出，而輸出耦合器又將放大后的輸出的信號(hào)重新同相合成。運(yùn)用微帶技術(shù)可實(shí)現(xiàn)微波平面集成電路中的正交耦合器，它們均具有λ/4 段，故對(duì)頻率都相當(dāng)敏感，其帶寬約為中心頻率的50%，所以一般平衡式放大器只能做1 到2 個(gè)倍頻程帶寬。

圖4 平衡放大器原理圖

特性一致的晶體管盡管平衡放大器結(jié)構(gòu)允許其輸入、輸出端不匹配，但若兩個(gè)并聯(lián)的放大器平衡(即特性一致)，則由此組合的放大器將是匹配的。此時(shí)將有［8］:

3 仿真結(jié)果分析

在設(shè)計(jì)寬帶匹配電路時(shí)，考慮到增益的頻率特性，通常選擇在頻率的高端匹配［9］。平衡式放大器仿真電路如圖5 所示，仿真結(jié)果如圖6 ～圖8 所示。

圖5 平衡式放大器仿真圖

圖6 增益曲線

圖7 穩(wěn)定系數(shù)

圖8 駐波系數(shù)曲線

仿真結(jié)果表明，在225 MHz ～512 MHz 頻段內(nèi)，單個(gè)放大器和平衡式放大器有一樣的增益及平坦度，增益為23 dB，平坦度為±1 dB;而駐波系數(shù)各不同，單個(gè)功放輸入駐波系數(shù)在1.5 和2.4 之間，而平衡結(jié)構(gòu)的功放輸入駐波系數(shù)均為1。在整個(gè)工作頻帶內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)大于1，保證功放在工作過程中絕對(duì)的穩(wěn)定。實(shí)際上由于耦合器自身的頻率響應(yīng)以及并聯(lián)放大器的不一致性，駐波系數(shù)會(huì)有偏差。

4 結(jié)論

寬帶射頻功率放大器設(shè)計(jì)的難度主要體現(xiàn)在增益平坦度和輸入輸出駐波系數(shù)上，而它們之間又是相互矛盾的，僅僅依靠匹配電路很難同時(shí)滿足這兩個(gè)指標(biāo)要求。本文采用平衡式結(jié)構(gòu)大大降低了輸入輸出駐波系數(shù);利用負(fù)反饋技術(shù)以及傳輸線變壓器的阻抗變換，在通帶內(nèi)獲得了較好的平坦度。由設(shè)計(jì)結(jié)果可以看出，運(yùn)用ADS 軟件設(shè)計(jì)射頻功率放大器，可以很好的滿足各項(xiàng)指標(biāo)，方便而又高效，省去了大量計(jì)算的繁瑣，也節(jié)約了設(shè)計(jì)成本。在后續(xù)的工作中，將通過預(yù)失真［10］或前饋［11］技術(shù)，對(duì)功放的線性度進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，結(jié)合系統(tǒng)做出寬帶功放的實(shí)物。

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