雙頻高效功率放大器設(shè)計(jì)

王衛(wèi)衛(wèi)，常樹(shù)茂

(西安郵電大學(xué)，陜西 西安710061)

0 引言

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)線通信設(shè)備的要求越來(lái)越高。為滿足不同的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求，無(wú)線通信產(chǎn)品需要在不同的通信模式下工作。多模通信系統(tǒng)必須適應(yīng)不同的頻段，而采用多組單一頻率前端模塊的構(gòu)建方案不僅在能耗、體積和效率上影響很大，而且增加了生產(chǎn)成本。功率放大器作為射頻前端的關(guān)鍵電路，它性能的好壞直接影響著整個(gè)通信系統(tǒng)的性能優(yōu)劣［1］，因此，無(wú)線系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)性能良好的功率放大器。

關(guān)于開(kāi)關(guān)類功率放大器設(shè)計(jì)技術(shù)逐漸成熟，理論研究不斷深入，但有關(guān)雙頻高效功率放大器的設(shè)計(jì)卻很少有報(bào)道。自從2001年，D．R．Smith等人證明了左手材料的存在后，左手材料迅速成為研究的熱點(diǎn)［2］。但是純左手傳輸線在自然界是不存在的，現(xiàn)階段的左手傳輸線是由右手傳輸線通過(guò)一定的結(jié)構(gòu)組成的，因此把左手傳輸線和右手傳輸線相結(jié)合就轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合左右手傳輸線(CRLH－TL，Composite Right/Left Handed Transmission－Line)。復(fù)合左右手傳輸線在不同的頻段分別呈現(xiàn)異向介質(zhì)或傳統(tǒng)介質(zhì)特性，改變了常規(guī)雙頻功率放大器的設(shè)計(jì)方法，使任意兩個(gè)工作頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)功放管上工作［3］。這種方法廣泛用于各種無(wú)源器件(如雙頻耦合器、雙頻功分器和多頻天線等)的研制和應(yīng)用。

射頻開(kāi)關(guān)類功率放大器本身具有很高的工作效率。文中基于復(fù)合左右手傳輸線，構(gòu)建可實(shí)現(xiàn)雙頻阻抗匹配的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一個(gè)同時(shí)工作在兩個(gè)頻點(diǎn)的高效功率放大器。采用負(fù)載牽引和源牽引法確定放大器高效工作狀態(tài)的最佳負(fù)載，使功率放大器在兩個(gè)頻點(diǎn)可輸出39．9 dBm和37．2 dBm的功率，且工作效率達(dá)到50%以上。

1 功率放大器設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)類功率放大器通過(guò)避免漏極電壓和電流波形重疊，來(lái)提高工作效率。E類功率放大器能夠調(diào)整漏極電壓電流波形的重疊程度來(lái)降低本身消耗的功率，理論上可以達(dá)到100%的效率，E類功率放大器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。它有一個(gè)晶體管作為開(kāi)關(guān)，并聯(lián)一個(gè)電容C，開(kāi)關(guān)兩端的匹配網(wǎng)絡(luò)使用微帶線。

圖1 E類功率放大器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig．1 Class－E power amplifier’s circuit topology

傳統(tǒng)的功率放大器主要依靠減小導(dǎo)通角和避免電壓電流波形重疊，來(lái)提高在某一頻點(diǎn)或頻段的工作效率［4］，隨著關(guān)于對(duì)左手材料的深入研究，復(fù)合左右手傳輸線的出現(xiàn)，理論上可以實(shí)現(xiàn)任意兩個(gè)頻率在同一個(gè)放大器上工作，從而提高放大器的工作效率。

復(fù)合左右手傳輸線，與一般的傳輸線不同，它包含左手傳輸線和右手傳輸線的特性，它的單元相位響應(yīng)是非線性的。圖2所示的是一種復(fù)合左右手傳輸線集總參數(shù)結(jié)構(gòu)，它由兩截右手傳輸線和一個(gè)左手傳輸單元構(gòu)成。

復(fù)合左右手傳輸線的特性是輸入與輸出之間凈相移特性，在左手傳輸線頻段相位超前，在右手傳輸線頻段相位滯后，經(jīng)過(guò)一段復(fù)合左右傳輸線后，總體相位偏移為零［5］。當(dāng)復(fù)合左右手傳輸線的串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振相等時(shí)，這種狀態(tài)稱之為平衡狀態(tài)［6］，平衡結(jié)構(gòu)的復(fù)合左右手傳輸線可分為左手等效電路和右手等效電路，右手等效電路可以直接用傳統(tǒng)傳輸線(如微帶線)代替，左手等效電路的參數(shù)可以通過(guò)公式計(jì)算得到。

圖2 復(fù)合左右手總參數(shù)模型Fig．2 Lumped elements model for CRLH－TL

在平衡狀態(tài)下，可以近似的把相位響應(yīng)表示為:(N為復(fù)合左右手傳輸線單元的個(gè)數(shù))

左手傳輸線和右手傳輸線的特性阻抗公式表達(dá)式為:

和理想情況不同的是，復(fù)合左右手傳輸線左手截止頻率和右手截止頻率為:

復(fù)合左右手傳輸線單元中各參數(shù)取值可由下式求得:

式中，N為復(fù)合左右手傳輸線單元的個(gè)數(shù)，Zt為與復(fù)合左右手傳輸線匹配的端口特征阻抗，ω1，ω2為選定的兩個(gè)頻點(diǎn)的角頻率(ω1＜ω2)，φ1為ω1時(shí)的相位，φ2為ω2時(shí)的相位。理論上任意兩個(gè)頻點(diǎn)相差nπ(n為正整數(shù))的相位都可以實(shí)現(xiàn)雙頻傳輸，兩個(gè)頻點(diǎn)相位對(duì)的選擇主要受到帶寬和兩個(gè)截止頻率的位置、現(xiàn)有元件設(shè)計(jì)等條件的限制。

左手截止頻率fLH可以從式(5)計(jì)算得出，如果fLH＜f1，設(shè)計(jì)符合要求，否則，最小頻率小于截止頻率，無(wú)法通過(guò)，需要增大N，再次進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖3顯示的就是使用了復(fù)合左右手傳輸線代替圖1中普通微帶線構(gòu)成的輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)的雙頻功率放大器。

圖3 E類雙頻功率放大器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig．3 Dual－band class－E power amplifier’s circuit topology

2 仿真設(shè)計(jì)和結(jié)果分析

雙頻功率放大器用安捷倫公司的ADS軟件進(jìn)行仿真，功放管模型選用的是飛思卡爾公司的MW6S010N，該晶體管在工作頻率0．45 ～1．5 GHz內(nèi)非常穩(wěn)定，這一點(diǎn)對(duì)于射頻功率放大器是非常重要的。首先確定兩個(gè)工作頻點(diǎn):0．5 GHz和1．2 GHz，功放管選用柵極電壓為2．8 V，驅(qū)動(dòng)功率為22 dBm，直流供電電壓為28 V，然后用負(fù)載牽引法和源牽引法分別獲得這兩個(gè)頻點(diǎn)的最佳輸入阻抗和最佳輸出阻抗，如表1所示。

表1 功放管的輸入輸出阻抗Table 1 Input and output impedance of power amplifier tube

針對(duì)不同的頻點(diǎn)，均使用L型阻抗變換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)匹配電路，便于用復(fù)合左右手傳輸線代替普通的右手傳輸線實(shí)現(xiàn)雙頻匹配。單頻功率放大器設(shè)計(jì)仿真圖如圖4所示，由兩段微帶線分別組成輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)和輸出阻抗網(wǎng)絡(luò)。

圖4 單頻E類功率放大器仿真Fig．4 Simulation diagram of single frequency class－ E power amplifier

雙頻功率放大器的設(shè)計(jì)需要用復(fù)合左右手傳輸線代替相應(yīng)的微帶線組成匹配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)雙頻工作。具體方法如確定功放管在0．5 GHz時(shí)最佳負(fù)載阻抗，兩節(jié)右手傳輸線(特征阻抗為50 Ω)的電長(zhǎng)度為37．48°和 66．31°，在1．2 GHz 時(shí)，最佳負(fù)載的兩節(jié)右手傳輸線的電長(zhǎng)度為34．5°和 65．93°，分別實(shí)現(xiàn)50 Ω到最佳負(fù)阻抗的變換，由普通右手傳輸線轉(zhuǎn)換為復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)雙頻匹配，如圖5所示，具體參數(shù)可以通過(guò)公式計(jì)算得到，雙頻功率放大器的設(shè)計(jì)仿真圖如圖6所示。

圖5 復(fù)合左右手傳輸線構(gòu)成負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換過(guò)程Fig．5 Conversion process of CRLH－TL in constituting load matching network

圖6 雙頻E類功率放大器電路仿真Fig．6 Simulation diagram of dual－band class－E power amplifier

如圖7和圖8所示，單頻功率放大器工作頻率為0．5 GHz時(shí)，該功率放大器輸出功率為40．4 dBm，工作效率為62．2%。工作頻率為1．2 GHz時(shí)，該功率放大器輸出功率為37．5 dBm，工作效率為53．5%。

圖7 單頻E類功率放大器工作在0．5 GHz時(shí)的性能Fig．7 Performance of single－band class－E power amplifier working individually at 0．5 GHz

圖8 單頻E類功率放大器工作在1．2 GHz時(shí)的性能Fig．8 Performances of single－band class－E power amplifier working individually at 1．2 GHz

如圖9所示，雙頻功率放大器工作頻率為0．5 GHz時(shí)，該功率放大器輸出功率為39．9 dBm，工作效率為55．7%左右。工作頻率為1．2 GHz時(shí)，該功率放大器輸出功率為37．9 dBm，工作效率為51．3%左右。該功率放大器采用復(fù)合左右手傳輸線構(gòu)建的匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了在兩個(gè)工作頻點(diǎn)的阻抗匹配，并在兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的工作頻點(diǎn)處均實(shí)現(xiàn)了高效的功率放大。由圖8可知，隨著輸入信號(hào)功率的增大，放大器在兩個(gè)工作頻點(diǎn)的增益出現(xiàn)壓縮現(xiàn)象［7］。當(dāng)處于飽和狀態(tài)時(shí)，放大器可保持38 dBm左右的功率輸出，并且保持不低于50%工作效率。

圖9 雙頻E類功率放大器輸出效率Fig．9 Output efficiency diagram of dual－band class－E power amplifier

3 結(jié)語(yǔ)

利用負(fù)載牽引和源牽引相結(jié)合的方法求得最佳阻抗，采用復(fù)合左右手傳輸線的傳輸特性構(gòu)建雙頻匹配電路，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)特定頻點(diǎn)在同一功放管上工作的高效功率放大器。結(jié)合具體的雙頻功率放大器設(shè)計(jì)方法，給出了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)實(shí)例，實(shí)現(xiàn)了放大器工 作 在0．5 GHz 和1．2 GHz 時(shí) 輸 出 功 率 達(dá)到38 dBm，工作效率達(dá)到了50%以上，證實(shí)了設(shè)計(jì)方法的可行性。為復(fù)合左右手傳輸線用于設(shè)計(jì)更高效的、三頻或多頻電路提供了一個(gè)設(shè)想。

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