一種對負(fù)載不敏感的高功率平衡功率放大器

章國豪，鄭耀華，李思臻，林俊明，陳思弟

（廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 廣州 510006）

一種對負(fù)載不敏感的高功率平衡功率放大器

章國豪，鄭耀華，李思臻，林俊明，陳思弟

（廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 廣州 510006）

針對衛(wèi)星通信終端，采用功率合成架構(gòu)設(shè)計了一個高輸出功率的平衡功率放大器。功率合成架構(gòu)通過在兩路放大器的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中引入±45°的相移，可使該平衡功率放大器具有對負(fù)載失配容忍度更高和對負(fù)載變化不敏感等特性。該平衡功率放大器采用InGaP/GaAs HBT工藝，工作電壓為5 V。測試結(jié)果表明：在1.5～1.7 GHz頻段內(nèi)的增益為32 dB左右，飽和輸出功率為38 dBm，功率附加效率為43%，當(dāng)負(fù)載失配時仍能保持良好的射頻特性。

高功率； 磷化銦鎵/砷化鎵異質(zhì)結(jié)晶體管； 功率放大器； 功率合成； 衛(wèi)星通信

近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，衛(wèi)星通信和導(dǎo)航系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于電子和汽車產(chǎn)業(yè)，市場對手持式終端發(fā)射機的功率放大器的需求量越來越大。這些功率放大器需要更大的功率輸出和更好的穩(wěn)定性，才能滿足衛(wèi)星通信和導(dǎo)航系統(tǒng)所要求的性能指標(biāo)。因此，對應(yīng)用于衛(wèi)星通信和導(dǎo)航系統(tǒng)的手持式終端中實用可靠的高功率集成功率放大器的研究有著重要意義。

傳統(tǒng)單端多級的集成功率放大器由于受自身半導(dǎo)體物理特性的影響及加工工藝、散熱、阻抗匹配等問題的限制導(dǎo)致其不僅輸出功率低，而且隨著頻率的增加輸出功率將迅速減?。?］。為了提高輸出功率，功率合成技術(shù)是一種實用且易于實現(xiàn)的方法［2］。同時，在各種功率合成技術(shù)中，由于平衡功率放大器具有負(fù)載不敏感和比單端設(shè)計的功率放大器更寬的帶寬［3-4］等優(yōu)點，因此在功率合成方案中被廣泛采用。文獻(xiàn)［5］利用平衡合成的方式實現(xiàn)高線性高效率的功率放大器，該功率放大器在寬頻帶內(nèi)具有平坦的增益特性和比對應(yīng)的單端放大器具有更加穩(wěn)定等優(yōu)勢，但是在輸入和輸出端引入的正交3 dB耦合器使得該功率放大器需要較多的分立器件，不利于小型化和集成化。文獻(xiàn)［6］采用一種新的平衡合成架構(gòu)設(shè)計了一個對負(fù)載變化不敏感的功率放大器。這種功率放大器在上下兩路輸入和輸出端分別加入±45°相移網(wǎng)絡(luò)，最終在輸出端通過威爾金森合成器將兩路功率合成起來，該設(shè)計獲得高效率和高線性度，并且當(dāng)負(fù)載變化時，具有較好的穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于3G WCDMA移動通信手機終端中，但是由于威爾金森合成器的加入帶來了許多弊端，如有較大的插入損耗，增加了集成成本和復(fù)雜性。文獻(xiàn)［7］在文獻(xiàn)［6］的基礎(chǔ)上，對該功率放大器輸出端中的±45°相移網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，并去掉威爾金森合成器，在實現(xiàn)高效率和高線性的同時，也使得功率放大器性能對負(fù)載的變化不敏感。該設(shè)計減少了集成的器件，降低了成本，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代的3G智能手機終端中。

本文在綜合考慮功率放大器的輸出功率和性能穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，采用平衡合成架構(gòu)方案設(shè)計了一個基于InGaP/GaAs HBT工藝［8］，工作在1.5～1.7 GHz頻段的高功率平衡功率放大器。測試結(jié)果表明，該平衡功率放大器具有較高輸出功率和功率附加效率（PAE），并且當(dāng)負(fù)載失配時，該電路仍能保持良好的射頻性能。

1 平衡功率放大器的設(shè)計與分析

1.1 整體電路設(shè)計

由于HBT工藝在射頻集成電路設(shè)計中有優(yōu)越的線性性能和較高的效率［9］，因此本文采用InGaP/GaAs HBT工藝，設(shè)計一個工作在1.5～1.7 GHz頻段的平衡功率放大器。整體電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。該平衡功率放大器電路包括完全一樣的上下兩支路放大器，以及±45°相移網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出匹配電路。為了獲得較高的增益，設(shè)計的上下支路均采用三級功率放大的結(jié)構(gòu)，其中第一級工作于A類狀態(tài)，以獲得高線性度；為了兼顧整體功率放大器的線性度和效率，第二、第三級工作于AB類［10］。為了在效率和線性度之間取得良好的折中，偏置電路采用自適應(yīng)線性化偏置［11］。該平衡功率放大器通過在上下支路的輸入匹配電路中分別加入一個電感和電容對輸入信號產(chǎn)生±45°相移，從而實現(xiàn)上下兩路的放大器工作處于正交的狀態(tài)。電路在輸出匹配中加入一個諧振頻率為2Ωo的LC諧振網(wǎng)絡(luò)，其中Ωo為基波頻率，相當(dāng)于在該處得到一個二次諧波短路的負(fù)載，從而實現(xiàn)對二次諧波的抑制。該結(jié)構(gòu)類似于F類功率放大器［12-14］，有利于獲得較高的效率。本文電路最大的特點在于上下兩路的輸出匹配電路中加入了±45°相移網(wǎng)絡(luò)，上支路加入一節(jié)低通濾波器結(jié)構(gòu)的-45°相移網(wǎng)絡(luò)，下支路加入一節(jié)高通濾波器結(jié)構(gòu)的+45°相移網(wǎng)絡(luò)，利用這種合成架構(gòu)設(shè)計的平衡功率放大器，占用空間小，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，同時可使該平衡功率放大器對負(fù)載失配的容忍度更高和對負(fù)載的變化不敏感。

圖1 一種平衡功率放大器電路

1.2 電路分析

該平衡功率放大器工作時，輸入信號通過隔直電容耦合到A節(jié)點，并在A節(jié)點分離出兩路信號分別流入到上下支路，由于上下支路的三級放大器完全一樣，它們具有相等的輸入阻抗，因此在A節(jié)點分離出來兩路信號的功率是均等的。分離出來的兩路信號分別經(jīng)過上下支路相反的45°相位變化送到放大器的輸入端，然后正交的信號經(jīng)過上下兩支路的三級放大器進(jìn)行功率放大。上下支路正交的信號在輸出匹配網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過相反的45°相位變化，最終在B點實現(xiàn)同相、同幅度的相同信號，故B點輸出的功率為兩路放大器的輸出功率之和，因此該平衡功率放大器可獲得較高的輸出功率。

將該平衡功率放大器等效為如圖2所示的三端口網(wǎng)絡(luò)。由于上下支路放大器是完全一樣的，可認(rèn)為上下兩支路的放大器具有相同的輸出反射系數(shù)ΓPA，上下兩支路ΓPA經(jīng)過±45°相移網(wǎng)絡(luò)后分別得到ΓPAе-j2ΔΦ和ΓPAе+j2ΔΦ，因此從圖2中的ab面向左看進(jìn)去的上下兩支路的等效輸出阻抗分別如下：

從終端向左看進(jìn)去網(wǎng)絡(luò)的等效輸出阻抗ZL可由ZL1和ZL2并聯(lián)所得：

而節(jié)點B的輸出反射系數(shù)為：

將式（1）～式（3）代入式（4）并化簡，可得該平衡功率放大器的輸出反射系數(shù)為：

當(dāng)ΔΦ=45°時，可得：

式（6）表明該平衡功率放大器輸出的反射系數(shù)和電壓駐波比（VSWR）是單支路功率放大器的兩倍。因此，當(dāng)負(fù)載發(fā)生失配時，該平衡功率放大器在引入±45°相移的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)后比單支路功率放大器對負(fù)載失配的容忍度更高。

圖2 電路等效圖

為了分析該平衡功率放大器在負(fù)載失配情況下的工作性能，對圖2的等效電路進(jìn)行仿真分析。當(dāng)負(fù)載失配（如VSWR=3：1）時，上下支路放大器的負(fù)載阻抗（歸一化）是隨著反射系數(shù)Γ的相位ψ變化的，如圖3所示。通過上下支路的負(fù)載阻抗對比可知它們存在180°的相位差。由于上下支路負(fù)載阻抗的變化，引起了相應(yīng)的電流發(fā)生變化，同時兩者存在180°的相位差。該平衡功率放大器上下支路兩個第三級放大器的集電極是單一供電的，因此上下支路的電流互相補償，造成總的電流變化不大，如圖4所示。所以該平衡功率放大器在負(fù)載失配時，工作電流變化比較小，即對負(fù)載的變化不敏感。利用這種平衡架構(gòu)產(chǎn)生負(fù)載不敏感的效果與利用正交3 dB耦合器實現(xiàn)的經(jīng)典平衡功率放大器［3］相類似。

圖3 當(dāng)VSWR=3：1時，該結(jié)構(gòu)負(fù)載（歸一化）的變化

在終端失配狀態(tài)下（VSWR=3：1），單端電路架構(gòu)和本文平衡架構(gòu)在同樣的輸出功率（38 dBm）的情況下對比如圖5所示，從圖5可看出，單端電路架構(gòu)的輸出功率隨著反射系數(shù)Γ的相位ψ變化的波動較大，而本文平衡架構(gòu)輸出功率較為平坦。同時，本文平衡架構(gòu)與不產(chǎn)生相移情況下的電路架構(gòu)（同相電路架構(gòu)）相對比，雖然同相電路架構(gòu)比單端電路架構(gòu)較有優(yōu)勢，但平衡架構(gòu)的輸出功率最平坦，可穩(wěn)定地工作。

圖4 當(dāng)VSWR=3：1時，該結(jié)構(gòu)電流（歸一化）的變化

圖5 當(dāng)VSWR=3：1時，3種電路架構(gòu)輸出功率（歸一化）變化的對比

2 測試結(jié)果

本文的平衡功率放大器采用InGaP/GaAs HBT工藝制作，上下支路的三級放大器和偏置電路在片內(nèi)實現(xiàn)，DIE面積為0.9 mm×0.8 mm，扼流電感、輸入匹配和輸出匹配電路在片外實現(xiàn)，考慮功率放大器的散熱問題，最終整體集成在面積為8 mm×8 mm的Fr4基板上，圖6為該電路的實物圖。

該平衡功率放大器的工作電壓為5 V，總的靜態(tài)電流約為310 mA。使用安捷倫的網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C測得該平衡功率放大器的小信號S參數(shù)S21、S11、S22如圖7所示，在1.5～1.7 GHz頻段范圍內(nèi)S21＞31 dB，變化小于1 dB；S11＜-12 dB；S22＜-10 dB，該測試結(jié)果表明本設(shè)計具有很好的小信號性能。使用安捷倫的信號發(fā)生器N5182A和頻譜儀N9030A搭建測試平臺，輸入連續(xù)波（CW）信號，分別在1.5、1.616、1.7 GHz測得該平衡功率放大器的性能，如圖8所示。從圖可看出，該平衡功率放大器在頻段內(nèi)的增益為32 dB左右，帶內(nèi)增益平坦度為±0.3 dB，飽和功率均超過38 dBm （6.3 W），功率附加效率（PAE）大于43%。同時，從各個頻點的增益曲線看，該平衡功率放大器有較好AM-AM特性，1 dB壓縮點在37 dBm左右。利用偏差為2 MHz的雙音信號測得該平衡功率放大器的三階互調(diào)失真（IMD3）和五階互調(diào)失真（IMD5）如圖9所示，結(jié)果表明該平衡功率放大器具有較好的線性度?？偟膩碚f，該平衡功率放大器不但具有較高的增益、輸出功率和效率，而且也具有較好的線性性能。

圖6 芯片實物圖

為了驗證該平衡功率放大器對負(fù)載失配的容忍程度和負(fù)載不敏感特性，在功率放大器的輸出端接上微波手動調(diào)諧器，該平衡功率放大器在負(fù)載失配情況下，負(fù)載的VSWR=20：1時也能正常工作。而當(dāng)在工作頻率為1.616 GHz，輸入功率Pin=10 dBm和電壓駐波比VSWR=3：1時，該平衡功率放大器的輸出功率隨著反射系數(shù)相位的變化如圖10所示，從圖可知輸出功率為35.7 dBm左右，變化為±0.7 dBm，變化范圍不大。因此，該平衡功率放大器的負(fù)載在一定失配時，工作性能比較穩(wěn)定。

3 結(jié) 束 語

本文利用平衡架構(gòu)設(shè)計了一個高功率的平衡功率放大器，采用InGaP/GaAs HBT工藝制作，最終芯片面積為8 mm×8 mm。該平衡功率放大器在5 V工作電壓下，總的靜態(tài)電流約為310 mA，當(dāng)輸入CW信號時，在1.5～1.7 GHz頻段內(nèi)增益可達(dá)32 dBm；飽和輸出功率Psat=38 dBm，功率附加效率為43%；并且當(dāng)負(fù)載發(fā)生失配時也能穩(wěn)定工作。該平衡功率放大器實用且工作性能可靠，可應(yīng)用于衛(wèi)星通信和導(dǎo)航系統(tǒng)的手持式終端中。

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編 輯 稅 紅

A Load Insensitive High-Power Balanced Power Amplifier

ZHANG Guo-hao， ZHENG Yao-hua， LI Si-zhen， LIN Jun-ming， and CHEN Si-di
（School of Information Engineering， Guangdong University of Technology Guangzhou 510006）

A high-output-power balanced power amplifier is designed with power-combining architecture for satellite communication terminals. The power-combining architecture introduces a ±45° phase shift in the output matching network of two amplifiers， which makes the balanced power amplifier more tolerant to load mismatch and less sensitive to load variation. This balanced power amplifier is implemented with InGaP/GaAs HBT process. Under the band of 1.5 GHz to 1.7 GHz and the supply voltage of 5 V， the measured results show that 32 dB of the gain， 38 dBm of the saturated output power and 43% of power added efficiency （PAE） are achieved， and a good radio frequency performance can be maintained under load mismatch conditions.

high-power； InGaP/GaAs HBT； power amplifier； power combining； satellite communication

TN927

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2016.02.001

2014 - 12 - 25；

2015 - 05 - 28

廣東省領(lǐng)軍人才專項資助（400130002）；國家自然科學(xué)基金（61404032）

章國豪（1964 - ），男，教授，主要從事射頻、微波及毫米波單片電路和組件等方面的研究.