30～512MHz兩級(jí)寬帶功率放大器極間匹配設(shè)計(jì)

黎明林

摘 要：文章設(shè)計(jì)了一個(gè)極間匹配網(wǎng)絡(luò)，使驅(qū)動(dòng)級(jí)的輸出阻抗直接匹配到末級(jí)放大器的輸入阻抗。這種極間匹配網(wǎng)絡(luò)提高了30～512 MHz寬帶功率放大器的線性輸出功率和效率，同時(shí)減少了極間匹配元件，簡(jiǎn)化了匹配網(wǎng)絡(luò)，縮小了功率放大器的體積。這種極間匹配網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)寬帶同軸巴倫、電容并含電阻組成的有損網(wǎng)絡(luò)的匹配網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的，應(yīng)用ADS軟件仿真優(yōu)化了同軸電纜的長(zhǎng)度和匹配電容的容值，使設(shè)計(jì)的極間匹配網(wǎng)絡(luò)在5個(gè)倍頻程的頻帶內(nèi)獲得較優(yōu)性能。

關(guān)鍵詞：功率放大器;寬帶;極間匹配;同軸巴倫;ADS軟件

0 引言

功率放大器作為現(xiàn)代電子微波系統(tǒng)的最末端，在迅猛發(fā)展的移動(dòng)通信事業(yè)中越發(fā)凸顯了其必不可少、不可替代的重要性。功率放大器發(fā)展至今，廣泛應(yīng)用在各類(lèi)通信領(lǐng)域，諸如手機(jī)、雷達(dá)、電臺(tái)、干擾機(jī)等無(wú)線通信系統(tǒng)。當(dāng)前隨著軟件無(wú)線電技術(shù)的廣泛運(yùn)用，系統(tǒng)對(duì)功率放大器的帶寬和輸出功率提出了越來(lái)越高的要求，使得超寬帶、大功率、高效率、高線性度的功率放大器應(yīng)用前景極為廣闊[1]。本文以實(shí)際項(xiàng)目中用于電臺(tái)的功率放大器設(shè)計(jì)為實(shí)例，集中討論了寬帶功放極間匹配設(shè)計(jì)過(guò)程。主要設(shè)計(jì)指標(biāo)要求為：（1）工作頻段（Freq）為30～512 MHz;（2）輸出功率（Pout）≥80 W;（3）效率（η）≥35%;（4）雙音頻率間隔200 kHz時(shí)，三階互調(diào)失真 （IMD3）≤-28 dBc。針對(duì)這些指標(biāo)要求，采用兩級(jí)功放管級(jí)聯(lián)，設(shè)計(jì)了輸入、級(jí)間和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，制作了寬帶功放，具備高輸出功率、高線性度、高效率以及小型化等特點(diǎn)。

1? ? 電路設(shè)計(jì)

一般情況下，針對(duì)多級(jí)功率放大器的設(shè)計(jì)方法是使每一級(jí)功率管輸入、輸出都匹配到50Ω，中間再加上一個(gè)π型網(wǎng)絡(luò)，衰減部分射頻信號(hào)以防止自激，最后級(jí)聯(lián)組成多級(jí)放大器。這樣輸入、輸出分別需要同軸巴倫來(lái)完成寬帶匹配。這樣的優(yōu)勢(shì)是每一級(jí)自成一體，方便調(diào)試，維修等也方便;同樣的，其劣勢(shì)也很明顯，這樣極大地限制了電路布局空間的小型化，同時(shí)級(jí)聯(lián)時(shí)容易自激（一般選擇添加π型電阻網(wǎng)絡(luò)，衰減射頻信號(hào)來(lái)解決自激），這樣降低了放大器的輸出功率和效率。本兩級(jí)寬帶功率放大器設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的寬帶匹配電路基礎(chǔ)上，保留驅(qū)動(dòng)級(jí)功率管的輸入匹配電路和末級(jí)功率管輸出匹配電路，在驅(qū)動(dòng)級(jí)功率管的輸出處和末級(jí)功率管的輸入處設(shè)計(jì)兩級(jí)功放極間匹配所需要的阻抗變換。通過(guò)使用同軸巴倫所用同軸電纜的阻抗和鐵氧體磁芯，結(jié)合集總元件使這種極間匹配努力在全頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳匹配。

橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（LDMOS）作為一種性價(jià)比很高的器件，自20世紀(jì)80年代應(yīng)用以來(lái)一直在通信系統(tǒng)的固態(tài)功放中起著主導(dǎo)作用。隨著它向高頻率、大功率和寬帶的方向發(fā)展，憑借其在線性、增益、成本、可靠性等方面的優(yōu)良性能，逐步的替代了BJT管和VDMOS管。根據(jù)這些特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)級(jí)功放管選SEMELAB的功放管D1016UK，末級(jí)功放管選原恩智浦（現(xiàn)埃賦?。┕镜墓Ψ殴蹷LF647P，都采用24 V供電，增益分別為13 dB和22 dB，具有高增益特性，穩(wěn)定性較高。兩級(jí)功放管為推挽結(jié)構(gòu)，工作類(lèi)型設(shè)計(jì)為線性度較好的AB類(lèi)。推挽結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸入阻抗高、線性好，其熱穩(wěn)定性、抗失配能力和可靠性都有優(yōu)勢(shì)，且器件內(nèi)180°相位差虛擬地降低了共模電感，增加了穩(wěn)定性和工作帶寬，還能抑制偶次諧波[2]。

IMD3是功率放大器的線性指標(biāo)表示方式之一。本設(shè)計(jì)采用了功率回退法來(lái)保證線性指標(biāo)。功率回退，即要求功率放大器要達(dá)到比設(shè)計(jì)需求大得多的功率，通過(guò)回退到設(shè)計(jì)需求的功率，以滿足線性化要求?；赝朔ㄒ篁?qū)動(dòng)級(jí)放大器的線性指標(biāo)要比末級(jí)更好?；赝朔ǖ牟蛔闶切实汀⑤敵龉β适芫€性度要求制約明顯。在效率要求越來(lái)越高的情況下，為了提高效率，希望在滿足線性度指標(biāo)的同時(shí)，讓末級(jí)盡量飽和工作，使驅(qū)動(dòng)級(jí)承擔(dān)更多的線性指標(biāo)。因此，需要將驅(qū)動(dòng)級(jí)的IMD3設(shè)計(jì)得很低。驅(qū)動(dòng)級(jí)優(yōu)于末級(jí)的IMD3越大，則級(jí)聯(lián)放大器的交調(diào)系數(shù)惡化越小，其線性越高。這對(duì)我們選擇級(jí)聯(lián)放大器的驅(qū)動(dòng)級(jí)管子具有很高的參考價(jià)值。假設(shè)兩級(jí)放大器的IMD3之差的絕對(duì)值為A，即A=d1-d2（d1，d2分別為驅(qū)動(dòng)級(jí)和末級(jí)的IMD3），則驅(qū)動(dòng)級(jí)的IMD3對(duì)末級(jí)的IMD3的影響值B（末級(jí)交調(diào)惡化值）可用下式來(lái)表示：

隨頻率的變化，每提高一個(gè)倍頻程，功率管增益下降6dB，且頻率越低，輸入、輸出阻抗越高，越難實(shí)現(xiàn)寬帶匹配。為實(shí)現(xiàn)多個(gè)倍頻程的寬帶匹配，基于對(duì)輸出功率、增益、效率等的考慮，運(yùn)用同軸巴倫寬帶匹配技術(shù)，采用同軸巴倫對(duì)功率管進(jìn)行匹配，同時(shí)在同軸巴倫上使用磁性材料以擴(kuò)展其工作帶寬，并且采用有損網(wǎng)絡(luò)匹配兼顧低端功率。為了實(shí)現(xiàn)D1016UK的輸出阻抗到BLF647P輸入阻抗的匹配，應(yīng)用一個(gè)4∶1平衡-非平衡的同軸巴倫，其中同軸電纜選用的MICRO-COAX公司的UT-034C-10，其外徑約0.86 mm，內(nèi)徑約0.51 mm，阻抗為10 Ω，電纜的長(zhǎng)度小于最高頻率的1/8波長(zhǎng)（f為512MHz，λ/8約為50 mm）。為了兼顧低端，選用了鐵氧體磁芯來(lái)增大磁通量以補(bǔ)償?shù)投恕４判具x用FAIR-RITE公司的雙孔磁芯2861002402，其磁導(dǎo)率μ為125。將同軸電纜穿過(guò)雙孔磁芯構(gòu)成4∶1的同軸巴倫。同時(shí)考慮到級(jí)聯(lián)的穩(wěn)定性，級(jí)間匹配前增加了12個(gè)1 206封裝的150 Ω電阻組成有損網(wǎng)絡(luò)。級(jí)聯(lián)匹配原理如圖1所示。

隨著頻率升高，功率管的阻抗進(jìn)一步減小，這時(shí)單純由4∶1的同軸巴倫已經(jīng)難以完成全頻段的極間匹配。為滿足設(shè)計(jì)的要求，因此還需使用高Q射頻電容使匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全頻段匹配。使用ADS軟件對(duì)同軸巴倫和電容參數(shù)值進(jìn)行仿真并優(yōu)化，獲得相應(yīng)的理想?yún)?shù)。同軸巴倫和電容參數(shù)仿真，如圖2所示。

2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果，使用2 mm厚的FR4板材，加工雙面PCB。為了便于功放的散熱，背面不要阻焊層，用螺釘將兩級(jí)功放管和PCB都固定在紫銅做的散熱器上，使功放管充分散熱。研制的功放實(shí)物如圖3所示，實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示。

實(shí)測(cè)功放輸出功率為49.1～50.3 dBm（81～105 W），功率增益33.8～32.3 dB，功率附加效率大于40%，輸出峰值功率80 W時(shí)，IMD3抑制的測(cè)試值大于28 dBc。滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，完成寬帶功率放大器研制。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的兩級(jí)寬帶功率放大器，采用寬帶同軸巴倫、電容并含電阻組成的有損網(wǎng)絡(luò)的匹配形式，同時(shí)利用ADS軟件仿真優(yōu)化了同軸電纜的長(zhǎng)度和匹配電容的容值，在實(shí)際調(diào)試中只需要進(jìn)行微小的改動(dòng)，便能滿足設(shè)計(jì)需求。這種極間匹配減小了功率放大器的布局空間，為電臺(tái)的小型化創(chuàng)造了良好的條件。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張海燕，叢鍵.一種新型SCA電臺(tái)的分析與設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù)，2012（9）：21-24.

[2]GREBENNIKOV A.RF and microwave power amplifier design[M].New York： The McGraw-Hill? Companies，2005.

（編輯 王永超）