射頻功率放大器穩(wěn)定性的分析與設(shè)計(jì)

陳少軼

摘? ?要：射頻功率放大器在通信系統(tǒng)中已經(jīng)得到大量應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大功能中屬于關(guān)鍵性構(gòu)成組件部分。研制射頻功率放大器必須要符合諸多的指標(biāo)，而且不可缺少的一項(xiàng)就是穩(wěn)定性。射頻功率放大器是一種高頻信號(hào)放大器，存在顯著的內(nèi)部無源元件寄生效應(yīng)，放大器傳輸信號(hào)期間，可以導(dǎo)致信號(hào)源阻抗或負(fù)載阻抗等不能良好地匹配于放大器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)象，加之其他因素的影響，會(huì)容易讓射頻功率放大器出現(xiàn)正反饋，由此引發(fā)自激振蕩，嚴(yán)重情況下?lián)p壞到設(shè)備。鑒于此，文章在分析射頻功率放大器穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，防止產(chǎn)生嚴(yán)重的損失問題，給實(shí)踐工作提供有價(jià)值的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：射頻功率放大器;穩(wěn)定性;設(shè)計(jì)策略

研究射頻放大器穩(wěn)定性意義重大，可以保障設(shè)備安全地運(yùn)行。但是在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，各種因素的影響使得射頻放大器自激引發(fā)設(shè)備損壞的情況不在少數(shù)。如果提前預(yù)知射頻放大器穩(wěn)定工作條件，便能夠?qū)⒎糯笃髯约で闆r明顯地減少，避免造成不必要的損失。本研究基于中科院微電子所自主研發(fā)的RF-LDMOS進(jìn)行設(shè)計(jì)射頻功率放大器，而且以柵極并聯(lián)R-C電路模式，對(duì)功率放大器穩(wěn)定性進(jìn)行良好改善。

1? ? 射頻功率放大器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

首先，在射頻放大器性能指標(biāo)方面上，進(jìn)行符合通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)需求的射頻高效率功率放大器設(shè)計(jì)期間，應(yīng)該達(dá)到相應(yīng)的性能標(biāo)準(zhǔn)，也就是使得功率放大器具備良好的工作頻帶、穩(wěn)定性以及增益性、輸出功率等內(nèi)容，而且穩(wěn)定性、效率和線性度屬于不可缺少的重要部分[1-2]。其次，在實(shí)際分類功率放大器方面上，對(duì)于功率放大器的分類，能夠遵循晶體管導(dǎo)通角θ大小、晶體管等效電路兩項(xiàng)指標(biāo)展開分類，而且在晶體管導(dǎo)通角θ上。

2? ? 穩(wěn)定性的基本理論分析

首先，穩(wěn)定性判定圓。做出功率放大器示意圖分析以后顯示，Гs，Гin，Гout，ГL分別表示信號(hào)源反射系數(shù)、輸入反射系數(shù)、輸出反射系數(shù)、負(fù)載反射系數(shù)。在功率放大器穩(wěn)定的情況下，也就是指反射系數(shù)模低于1的數(shù)值，遵循反射系數(shù)跟S的參數(shù)關(guān)系，得到了Δ=S11S22-S12S21。把所有的參數(shù)表達(dá)為復(fù)數(shù)形式，將輸出端口穩(wěn)定性判定圓、輸入端口穩(wěn)定性判定圓導(dǎo)出。例如，將輸出端作為例子分析顯示（見圖1），在ГL是0的情況下，|Гin|=|S11|，|S11|低于1時(shí)，原點(diǎn)就屬于穩(wěn)定區(qū)一部分，也就是ГL=0點(diǎn)，按照相同的原理，將輸入端穩(wěn)定性判定圓得出[3]。

其次，絕對(duì)穩(wěn)定性條件。通過觀察穩(wěn)定性判定圓及穩(wěn)定區(qū)域圖可以明確地得到，|S11|<1，|S22|<1期間，如果具有||Cin|-rin|超過1的情況以及||Cout|-rout|超過1的條件，則放大器是處在絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)中的。所以，得到K，B1兩個(gè)穩(wěn)定性因子，如果K>1的同時(shí)B1>0，此狀態(tài)中達(dá)到絕對(duì)性穩(wěn)定條件。另一種絕對(duì)穩(wěn)定條件為表征史密斯圓圖的原點(diǎn)到ГL或ГS平面上穩(wěn)定性判別圓的最小距離，有兩個(gè)因子，即μ，μ'，如果μ>1，則符合絕對(duì)性穩(wěn)定條件，或μ'>1，達(dá)到絕對(duì)性穩(wěn)定條件[4]。

3? ? 穩(wěn)定功率放大器的方法

通過以上的分析顯示，射頻功率放大器如果是基于反射系數(shù)為1以上的情況下，是在一種相對(duì)不穩(wěn)定狀態(tài)中。已知Гin超過1，Гout為1以上，采取輸入輸出阻抗表達(dá)，非穩(wěn)定狀態(tài)涉及兩種，一種為Re{Zin}<0，另一種為Re{Zout}<0。所以，為了有效地將網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性進(jìn)行改變，主要是采取不穩(wěn)定端口增加串聯(lián)電阻或加入并聯(lián)電阻的途徑。例如，串聯(lián)一個(gè)電阻于柵極，此舉措能夠?qū)⑵骷€(wěn)定于全部的頻率上面[5]。

4? ? 射頻功率放大器穩(wěn)定性設(shè)計(jì)策略

建立在RF-LDMOS器件基礎(chǔ)上，此研究設(shè)計(jì)一款射頻功率放大器，將R-C并聯(lián)穩(wěn)定電路加入到器件的柵極。器件型號(hào)是BLP10H605，通過實(shí)測(cè)以及采取ADS軟件S參數(shù)去嵌入功能獲得到小信號(hào)S參數(shù)。首先，將電路內(nèi)柵極R-C并聯(lián)電路去除，基于100～200 MHz頻段范圍之中，K<1，B1>0;μ低于1的情況下，放大器不穩(wěn)定，如果具有越低的頻率，則K，μ變得更小。觀察輸出穩(wěn)定性判定圓表明，在增加頻率基礎(chǔ)上，穩(wěn)定性判定圓跟史密斯圓圖距離越遠(yuǎn)，放大器越穩(wěn)定性更高，相照應(yīng)于K，μ。另外，固定R3電阻值是50 Ω，將C8電容值進(jìn)行改變，則始終是B1>0成立的狀態(tài)，分析K因子于所需頻段中有無超過1就可以，如圖2所示。結(jié)果顯示，如果具有過大的電容值，以及f0較小，那么超出f0頻段的增益不能經(jīng)電阻降低，不能改善穩(wěn)定性。如果電容值非常小，同時(shí)，因具有過高的f0，那么所需頻段中R-C電路都是表示電阻的，明顯地降低放大器增益對(duì)于其性能構(gòu)成的影響。

5? ? 實(shí)物測(cè)試

通過仿真電路圖進(jìn)行印制電路板的設(shè)計(jì)，使得射頻功率放大器功能良好的發(fā)揮出，進(jìn)而對(duì)于柵極R-C并聯(lián)電路對(duì)射頻功率放大器穩(wěn)定效果進(jìn)行科學(xué)的驗(yàn)證。結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的功率放大器同軟件仿真小信號(hào)S參數(shù)趨勢(shì)、K因子趨勢(shì)是具備一致性的，而且所需頻段內(nèi)的K超過1，B1因子在所需頻段中是0以上，所以具有絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的功率放大器效果。

[參考文獻(xiàn)]

[1]黃雨佳，韓永前，黃麗，等.射頻功率放大器經(jīng)典兩盒模型的最優(yōu)選取[J].強(qiáng)激光與粒子束，2015（10）：245-251.

[2]江明玉，劉太君，葉焱，等.基于廣義改進(jìn)型RBF網(wǎng)絡(luò)的射頻功放非線性建模[J].移動(dòng)通信，2018（3）：64-69.

[3]黃亮，章國豪，張志浩，等.一種帶有溫度補(bǔ)償電路的射頻功率放大器[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（6）：814-817.

[4]周帥，劉成國，唐曉，等.基于射頻功率放大器的阻抗匹配技術(shù)[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018（5）：94-99.

[5]黃浩，錢驊，姚賽杰，等.基于坐標(biāo)變換的射頻功放預(yù)失真參數(shù)估計(jì)方法[J].通信學(xué)報(bào)，2015（1）：75-83.