一種使用集總元件實現(xiàn)的P波段推挽式功率放大器

王 琪，唐厚鷺，賀 瑾，孫園成

（中國電子科技集團公司第五十五研究所，南京 210000）

1 引言

氮化鎵（GaN）器件由于具有較寬的禁帶寬度，可以應用在更高的頻率和更高的電壓條件下,正在得到越來越廣泛的應用[1]。隨著國外GaN射頻器件越來越具有核心競爭力，國內中國電子科技集團公司第五十五研究所和第十三研究所也一直致力于GaN器件的發(fā)展，其研發(fā)生產的功率放大器涵蓋各個頻段，尺寸從微波單片集成電路（Microwave Monolithic Integrated Circuit，MMIC）到模塊，功率量級從瓦到千瓦，均有成熟產品[2-5]。隨著技術發(fā)展和應用需求擴大，如何結合GaN材料的優(yōu)點，提高GaN功率放大器性能，減小GaN功率放大器尺寸顯得尤為重要。到目前為止，常見的實現(xiàn)功率放大器小型化的方法有4種：使用新型無源結構（復合左右手材料、基片集成波導等）實現(xiàn)小型化[6]；使用新型材料——如低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-Fired Ceramic，LTCC）——實現(xiàn)小型化[7-8]；通過優(yōu)化電路空間布局縮小體積[9]；使用高介電常數基板和集總元件進行匹配電路設計以實現(xiàn)小型化[10-11]。

P波段射頻推挽式高功率放大器廣泛應用于電子通信、電子對抗、廣播、雷達、工業(yè)加工、醫(yī)療儀器和科學研究等領域，其電路設計主要采用集總參數和分布參數的混合電路結構[9]，同軸巴倫結構是其匹配電路中必不可少的一部分。為了實現(xiàn)P波段大功率放大器器件的小型化，考慮幾種常用方法的可行性。由于P波段頻率低，波長長，分布參數電路尺寸過大，即使使用新型無源結構，其面積減小有限；考慮到將來大功率的應用，LTCC能夠承載的功率不足。集總元件尺寸小且與波長無關，因此在P波段集總元件具有明顯的體積優(yōu)勢。

本文采用集總元件實現(xiàn)了工作于400~450 MHz頻帶的推挽式功率放大器，驗證了僅依靠集總元件在該頻段實現(xiàn)小功率推挽式功率放大器的可行性。

2 集總元件巴倫的實現(xiàn)

由LC集總元件實現(xiàn)的集總參數巴倫電路原理如圖1所示。將一個非平衡端口作為信號輸入端、兩個平衡端口作為信號輸出端時，由于電感具有-90°相移特性，電容具有+90°相移特性，而并聯(lián)電容等效為串聯(lián)電感具有-90°相移特性，并聯(lián)電感等效為串聯(lián)電容具有+90°相移特性，因此平衡端口1具有-270°相移，平衡端口2具有+270°相移，得出兩端口的相位差為180°，從而實現(xiàn)了平衡和不平衡轉換[12]。

圖1 集總參數巴倫電路原理

在ADS軟件中搭建電路圖并進行仿真優(yōu)化，為了方便實物測試，將3個端口的端口阻抗均定為50Ω，最終電路圖中的電容值、電感值優(yōu)化結果如圖2所示。

圖2 ADS中搭建電路及仿真優(yōu)化結果

基于理論仿真結果，進行實物PCB板的制作。實物介質基板材料為Arlon-TC350，介電常數為3.5，板材厚度為1 mm，集總電容采用100B封裝的表貼多層陶瓷電容，電感采用0805封裝的片式電感。最終實物如圖3所示。

圖3 集總參數巴倫電路實物

使用矢量網絡分析儀對該實物進行測試，得到實物測試結果與仿真結果對比如圖4和5所示。

圖4 集總元件巴倫S參數幅度曲線

從圖4和圖5可以看出，雖然由于實際板材、集總元件和測試環(huán)境的非理想化，實物的插入損耗增大，但是實物測試結果與仿真結果保持了較好的一致性。在400~450 MHz頻帶內，兩輸出端口實測的插入損耗小于3.45 dB，回波損耗小于-23 dB，相位差在180°±4°范圍內，該巴倫驗證了集總參數巴倫兩平衡輸出端信號幅度相等、相位相反的特性。

圖5 集總元件巴倫兩輸出端口相位差曲線

3 集總元件推挽放大器

完成巴倫設計后，進行功率放大器設計。在P波段推挽式功率放大器中，為了滿足大功率和寬帶寬的需求，通常情況下選擇同軸巴倫，若使用集總元件代替大尺寸同軸巴倫，理論上可以大大減小電路尺寸。

為了驗證集總元件在推挽放大器電路匹配中的可行性，考慮到常用表貼元器件能承載的功率量級，選用兩個1.2 mm柵寬的GaN管芯設計推挽式功率放大器。整個匹配電路的拓撲結構如圖6所示。

圖6 功率放大器電路拓撲

通過load-pull測試得到1.2 mm管芯在漏極電壓Vd=28 V的條件下，輸出阻抗約為（80.5-j18.6）Ω。在ADS仿真軟件里使用該管芯小信號S參數進行阻抗匹配電路的仿真優(yōu)化，阻抗匹配電路主要采用LC拓撲結構，其電路原理如圖7所示。

圖7 ADS功率放大器電路原理

調試優(yōu)化后放大電路仿真結果如圖8和9所示。

從圖8和9可以看出，在400~450 MHz的頻帶內，放大器小信號增益大于20.8 dB，回波損耗小于-24.5 dB，在頻帶內絕對穩(wěn)定。

圖8 功率放大器S參數模值隨頻率變化曲線

完成電路仿真后，對電路進行實物加工。采用柵寬為1.2 mm的GaN功率放大器管芯，管殼底座采用銅鉬銅材料，管殼端口采用金屬陶瓷材料，匹配電路PCB板采用介質基板材料Arlon-TC350，介電常數為3.5，板材厚度為1 mm，集總電容采用100B封裝的表貼多層陶瓷電容，電感采用0805封裝的片式電感。最終的功率放大電路實物夾具如圖10所示。

圖10 功率放大器的實物夾具

圖9 功率放大器穩(wěn)定性系數隨頻率變化曲線

使用功率計對該功率放大器電路進行微波射頻性能測試，在400~450 MHz頻帶，連續(xù)波輸入功率Pin=22 dB、柵壓Vg=-2.8 V、漏壓Vd=28 V的條件下，其飽和輸出功率和效率如圖11所示。

圖11 功率放大器實測結果曲線

從圖11可以看出，在400~450 MHz頻帶內，通過集總元件完成匹配的推挽式功率放大器飽和輸出功率大于37 dBm，漏極效率大于66%，增益大于15 dB，驗證了集總元件在P波段實現(xiàn)推挽式功率放大器的可行性。后續(xù)推廣應用可考慮將此方法運用于高功率推挽式放大器輸入匹配電路，再通過引入耐高功率電容、電感器件，可實現(xiàn)更高功率集總元件推挽放大器。

4 結論

本文使用表貼式集總元件成功實現(xiàn)了一款工作在P波段的巴倫，并在此基礎上實現(xiàn)了一款P波段推挽式功率放大器，驗證了集總元件匹配電路實現(xiàn)推挽式功率放大器的可行性，為進一步將該方法應用于大功率推挽式功率放大器以實現(xiàn)小型化提供了依據。