寬帶大功率放大器設(shè)計(jì)

陳小兵

摘要：本文介紹了一款輸出功率大于200W的寬帶功率放大器。該放大器的帶寬跨越了5個(gè)倍頻程，放大器使用推挽式場(chǎng)效應(yīng)晶體管，采用負(fù)反饋技術(shù)、集總元件、微帶混合寬帶匹配電路實(shí)現(xiàn)，并加入自動(dòng)功率控制（ALC）技術(shù)。通過ADS軟件的仿真和反復(fù)調(diào)試，得到理想的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：放大器；寬帶；大功率；負(fù)反饋；推挽

中圖分類號(hào)：TN722.75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）01-0199-01

功率放大器在眾多通訊設(shè)備中起著關(guān)鍵作用。隨著現(xiàn)代移動(dòng)通信的快速發(fā)展，寬帶、大功率的放大器有廣闊的應(yīng)用前景。

VHF/UHF波段由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)，電路需要大量采用集總參數(shù)元件，電路中集中參數(shù)和分布參數(shù)電路的特性往往同時(shí)存在。按照傳統(tǒng)的匹配電路設(shè)計(jì)思路和方法進(jìn)行電路仿真設(shè)計(jì)，往往得不到較為滿意的測(cè)試結(jié)果，因此寬帶匹配技術(shù)是本次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。如何解決集總參數(shù)元件寄生參量對(duì)電路的影響，是設(shè)計(jì)此類電路的關(guān)鍵。

1 功率放大器的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

工作頻段：30MHz～520MHz；輸入電壓駐波比：<1.5；增益： ≥53dB；輸出功率：≥200W；諧波抑制：≥15dBc；雜波抑制：≥70dBc；附加效率：≥38%。

1.2 整體方案的設(shè)計(jì)

輸入信號(hào)首先經(jīng)過電調(diào)衰減電路，該電路主要用于ALC環(huán)路之中，在功率放大器的輸出端接入耦合器，對(duì)耦合出來的射頻信號(hào)進(jìn)行檢波來獲得相應(yīng)的電壓，將電壓反饋至電調(diào)衰減電路，完成對(duì)輸入信號(hào)的控制。接著射頻信號(hào)經(jīng)四級(jí)放大鏈路進(jìn)行放大，得到輸出需要的大功率。放大器設(shè)計(jì)框圖如圖1。

此寬帶功率放大器的增益高、頻帶寬、功率大，因此，加入了負(fù)反饋電路來保證功率放大器的穩(wěn)定性。并在電路中增加自動(dòng)功率控制（ALC）電路，控制最大輸出功率。由于需要的增益較高，放大鏈路采用四級(jí)。預(yù)前級(jí)、前級(jí)選用集成放大器，工作在小信號(hào)狀態(tài)下，這兩級(jí)電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，可以為整個(gè)鏈路提供32dB的增益。后兩級(jí)選用MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管，均為對(duì)管結(jié)構(gòu)，推動(dòng)級(jí)功放管采用SEMELAB公司的功率管，可以提供10dB的增益和大于10W的功率輸出，末級(jí)功放管采用NXP公司的大功率LDMOS管，可以提供15dB的增益和大于200W的功率輸出，后兩級(jí)使用推挽平衡結(jié)構(gòu)并使其工作在AB類，兼顧放大器的效率和線性。

1.3 穩(wěn)定性及偏置電路設(shè)計(jì)

穩(wěn)定性是放大電路基礎(chǔ)。如果放大器在不穩(wěn)定狀態(tài)工作，功率管將會(huì)在某些頻點(diǎn)和負(fù)載條件下產(chǎn)生振蕩而造成損傷，所以在設(shè)計(jì)中要判定晶體管是否穩(wěn)定。放大器的穩(wěn)定性主要跟晶體管的S參數(shù)和匹配網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。放大器穩(wěn)定的充要條件是：k>1，Δ<1。

其中：

本設(shè)計(jì)在級(jí)間適當(dāng)加入有耗網(wǎng)絡(luò)，并采用了負(fù)反饋技術(shù)，利用ADS仿真軟件優(yōu)化匹配電路，保證放大器工作穩(wěn)定。

直流偏置網(wǎng)絡(luò)決定了放大器的工作點(diǎn)，器件資料上給出的靜態(tài)工作點(diǎn)和射頻特性參數(shù)對(duì)于電路的設(shè)計(jì)有很大的參考價(jià)值，也可用仿真軟件自帶的直流掃描模板，確定功率管的工作點(diǎn)。通過優(yōu)化偏置電路的串聯(lián)電感和旁路電容，減小偏置網(wǎng)絡(luò)對(duì)射頻匹配網(wǎng)絡(luò)的影響。

1.4 寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

功率管工作在大信號(hào)模式下時(shí)，管子的輸入輸出阻抗變化比較大，增益也會(huì)隨頻率的上升呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，須提供一個(gè)隨頻率按正斜率變化的匹配網(wǎng)絡(luò)，來補(bǔ)償增益的滾降，所以放大器的設(shè)計(jì)主要就是匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，也是重點(diǎn)和難點(diǎn)所在。特別是寬帶功率放大器，匹配電路設(shè)計(jì)的合理與否，會(huì)直接影響放大器的各種指標(biāo)和性能。本次設(shè)計(jì)采用了傳輸線變壓器搭建平衡電路實(shí)現(xiàn)單級(jí)功率管及級(jí)間的良好匹配，加入負(fù)反饋增加放大器的工作帶寬，主要設(shè)計(jì)工作通過ADS仿真優(yōu)化，再根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行調(diào)試。

1.5 ALC電路設(shè)計(jì)

為了避免功放因輸入功率過大或產(chǎn)生自激時(shí)損壞晶體管和測(cè)試設(shè)備，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中加入了自動(dòng)功率控制電路（ALC）。通過輸出端耦合器對(duì)信號(hào)采樣后進(jìn)行檢波處理，配合輸入端的電調(diào)衰減器，來控制最大輸出功率。

2 寬帶功率放大器的仿真

2.1 推動(dòng)級(jí)電路仿真

推動(dòng)級(jí)放大器主要對(duì)前級(jí)輸出信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大，為末級(jí)功放提供足夠的功率推動(dòng)。其匹配電路主要影響功率放大器的增益和增益平坦度。使用ADS仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，目的是在兼顧放大器的增益、增益平坦度、穩(wěn)定性的同時(shí)，達(dá)到最大的輸出功率，最終功率曲線如圖2所示。

2.2 末級(jí)電路仿真

末級(jí)放大直接提供功放的最終輸出功率，其設(shè)計(jì)是整個(gè)功放的關(guān)鍵技術(shù)之一。NXP提供了單管的大信號(hào)模型，運(yùn)用ADS的Load-Pull模板對(duì)晶體管進(jìn)行大信號(hào)仿真，確定最佳負(fù)載阻抗。

確定最佳負(fù)載阻抗，只是為匹配電路設(shè)計(jì)及后期調(diào)試提供參考。本級(jí)采用的是推挽平衡式結(jié)構(gòu)，它能改善功放的輸入輸出駐波比、線性度以及有效的抑制偶次諧波。匹配電路采用1：4傳輸線變壓器來實(shí)現(xiàn)阻抗變換，通過仿真軟件進(jìn)一步仿真優(yōu)化和調(diào)試，達(dá)到理想狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種寬帶大功率放大器的設(shè)計(jì)方案。采用推挽平衡式寬帶功放結(jié)構(gòu)，運(yùn)用傳輸線變壓器、微帶混合匹配技術(shù)，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，最終實(shí)現(xiàn)了全頻段200W以上的輸出功率，38%以上的附加效率和其它技術(shù)指標(biāo)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃智偉.射頻功率放大器電路設(shè)計(jì)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

[2] 美]岡薩雷斯.微波晶體管放大器電路分析與設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社，2003.

[3] 黃香馥.寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.

[4] Andrei Grebennikov.射頻與微波功率放大器設(shè)計(jì)/Rf and Microwave Power Amplifier Design[M].張玉興，趙宏飛，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

Abstract：This paper introduces a broadband power amplifier with output power greater than 200W.The amplifier bandwidth spans five octave. push-pull MOSFET ，Negative-feedback technology， Microstrip and Lumped element mixed broadband matching circuits and ALC were used. The power amplifier was simulated using ADS and Was tuned repeatedly，then a desired result was obtained.

Key words：amplifier；broadband；high-power；negative feedback；push-pull