高效率功率放大器設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：阻抗匹配；同軸巴倫；功率放大器

中圖法分類號：TN722 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

隨著通信技術(shù)的高速發(fā)展，業(yè)界對射頻電路的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，其需要同時(shí)兼顧高效率和大功率輸出的設(shè)計(jì)要求，除此之外，對相關(guān)設(shè)備也提出了各項(xiàng)性能指標(biāo)測試與高低溫和電磁兼容性測試等實(shí)驗(yàn)。功率放大器的輸出功率和效率是衡量放大器性能好壞的重要參數(shù)指標(biāo)。根據(jù)功率放大器組件的應(yīng)用場所不同，設(shè)計(jì)的要求也不一樣，有些組件的工作頻帶很窄，有些組件的工作頻帶卻覆蓋好幾個(gè)倍頻，技術(shù)上采用幾個(gè)工作頻帶分別覆蓋的方式，從而實(shí)現(xiàn)UHF等波段信號的放大。部分研究者提出采用LC匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)超寬帶輸入輸出匹配電路設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)12 MHz～1GHz的帶寬，但是輸出功率只有1 W，并且匹配電路需要很大的面積，從而影響了放大器的小型化設(shè)計(jì)，效率也不會(huì)太高。

如何兼顧輸出功率和高效率是功率放大器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，由于功率放大器的輸出效率對通信系統(tǒng)的系統(tǒng)效率起到?jīng)Q定性作用，如何提高功率放大器的輸出效率是提高通信系統(tǒng)效率的重要難題。高效率功率放大器一般稱為開關(guān)類放大器，對高效率的開關(guān)放大器的工作原理進(jìn)行分析，其主要是通過諧波阻抗的峰化控制三極管漏級的電壓和電流波形，從而實(shí)現(xiàn)放大器的高效率。業(yè)界對高效率的功率放大器做了大量的研究，也發(fā)表了很多相關(guān)的研究成果。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)新型的高效率功率放大器，功放管選用的是推挽放大的三極管，該三極管沒有外圍的匹配電路，需要設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)要求獨(dú)立設(shè)計(jì)，且三極管的輸入阻抗和輸出阻抗值很小，都是復(fù)數(shù)。如何實(shí)現(xiàn)高效率和足夠的輸出功率是放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文采用的是L型和π型匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)合同軸巴倫實(shí)現(xiàn)輸入和輸出阻抗匹配電路，源阻抗和負(fù)載阻抗是以50Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗為匹配目標(biāo)，匹配電容和隔直電容融為一體，從而實(shí)現(xiàn)功放組件的小型化和成本的最小化。經(jīng)ADS仿真軟件仿真，可以實(shí)現(xiàn)功率效率增加到85.7%，輸出功率為45.3 dBm的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2功放主電路設(shè)計(jì)以及三極管的選型

本設(shè)計(jì)的功放性能指標(biāo)為：工作頻率為13.56MHz；增益大于17dB;飽和輸出功率大于45dBm（33W）。

根據(jù)本設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，采用的推挽放大功放管為polyfet公司生產(chǎn)的SH703功放管，該管為VDMOS射頻功放管，在一定的頻率范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)高效率、高線性度和低噪聲系數(shù)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。具體如圖1所示。

推挽結(jié)構(gòu)功放管具有源阻抗和負(fù)載阻抗比較高，線性度和熱穩(wěn)定性能良好的特點(diǎn)，器件內(nèi)部反相輸出大大降低了三極管的共模電感，且在一定程度上對輸出的諧波有抑制作用。

3匹配電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)功率放大器的輸出功率和效率滿足設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求，必須進(jìn)行匹配電路的設(shè)計(jì)，匹配電路設(shè)計(jì)的好壞，直接決定了功放設(shè)計(jì)的成敗。從組成上來講，匹配電路包括輸入阻抗匹配電路，輸出阻抗匹配電路和級間匹配電路。

3.1同軸巴倫單端雙端轉(zhuǎn)換電路

巴倫的作用主要是實(shí)現(xiàn)功放輸入和輸出端單端信號與差分信號之間的轉(zhuǎn)換，也可以把這種電路稱為“平衡.不平衡”電路變換器，巴倫屬于一種傳輸線變壓器的變體。除了平衡不平衡變換，它還有阻抗變換的作用，并且平衡端的兩路信號都具有180°的相位差，在推挽放大電路、寬帶放大器、平衡倍頻器和混頻器電路中應(yīng)用廣泛，典型的電路圖如圖2所示。

巴倫的應(yīng)用場景主要有以下幾種。

作為傳輸線變壓器，傳輸線變壓器的結(jié)構(gòu)組成是在一個(gè)高頻的磁環(huán)上纏繞一組或者幾組傳輸線，通過改變傳輸線的連接方式來實(shí)現(xiàn)“平衡.不平衡”變換：作為耦合性巴倫，使輸入信號和輸出信號隔離，但是工作頻率比較低；阻抗變換型傳輸線變壓器，可以實(shí)現(xiàn)1：1，1：4，1：16等變比的阻抗變換。通過將傳輸線纏繞在高磁導(dǎo)率的磁環(huán)上，使用很小的面積就可以得到很大的勵(lì)磁電感，從而實(shí)現(xiàn)在工作頻段內(nèi)獲得良好的頻率響應(yīng)。但是，傳輸線變壓器也有缺點(diǎn)，當(dāng)傳輸?shù)墓β时容^高時(shí)，因?yàn)閾p耗而造成的溫度上升會(huì)嚴(yán)重影響組件的性能。所以，在磁環(huán)的選擇上應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注高導(dǎo)磁率和低損耗的磁環(huán)。

3.2輸入阻抗匹配電路設(shè)計(jì)

輸入匹配電路對獲得最大功率和最高效率的輸出具有重大的決定作用，在放大器的設(shè)計(jì)中，輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)一般采用的是共軛匹配的方式，由于功放的輸入、輸出阻抗跟頻率具有非線性的關(guān)系，不可能在整個(gè)頻帶內(nèi)都實(shí)現(xiàn)共軛匹配，因此具體設(shè)計(jì)時(shí)一般都是根據(jù)中心頻率來做匹配，然后再做微調(diào)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻帶內(nèi)的性能指標(biāo)都達(dá)標(biāo)。

本設(shè)計(jì)的功放管是SH307，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)選擇傳輸線變壓器做平衡和不平衡變換，采用微帶線代替電感，從而在一定的程度上減小電路的尺寸。輸入匹配電路中還加了隔直電容，將三極管的柵極和信號源隔離。功放管在低頻段的增益很高，如果設(shè)計(jì)不合理，就很容易引起震蕩，又因?yàn)楣Ψ诺墓ぷ黝l率為13.56 MHz，頻率比較低，所以在輸入端加一個(gè)電阻，保證在設(shè)計(jì)頻段內(nèi)保持穩(wěn)定。具體的輸入匹配電路如圖3所示。

3.3輸出阻抗匹配電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的輸出屬于推挽輸出，三極管的差分信號輸出經(jīng)過匹配電路后，再經(jīng)過平衡不平衡變換合成輸出。匹配的作用就是實(shí)現(xiàn)最大功率和效率的傳輸，而復(fù)數(shù)阻抗可以用電阻和電抗元件串聯(lián)或者是并聯(lián)表示，而電抗元件值的大小計(jì)算比較煩瑣，一般都是結(jié)合Smith圓圖設(shè)計(jì)一個(gè)大概的估算值，然后再結(jié)合電路進(jìn)行調(diào)試。本設(shè)計(jì)中的輸出匹配電路采用L型匹配網(wǎng)絡(luò)，與輸入匹配電路一致，輸出匹配電路也是采用微帶線代替電感。本設(shè)計(jì)中輸出端的隔直電容有兩個(gè)作用，一是作為隔直電容防止漏級的直流信號短路到地，二是作為匹配電容參與匹配電路的工作，實(shí)際仿真時(shí)若這個(gè)電容的大小稍微變化，則輸出功率和效率都有很大的變化。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中有用微帶線作為匹配元件，此外匹配電路中也有實(shí)際的電感參與匹配，最后三極管的兩路反向信號經(jīng)過1：1的“平衡.不平衡”變換輸出。輸出端的巴倫變壓器跟功率合成器的功能類似，都是合成差分信號輸出。實(shí)際的仿真電路如圖4所示。

4整體電路設(shè)計(jì)

整體仿真電路的左右部分如圖5、圖6所示。

從仿真電路中可以看到，供電電壓為28 V，柵極供電電壓為2.1V，漏級射頻通路和直流供電部分用一個(gè)500 nH的電感作為高頻扼流圈，以防止射頻信號進(jìn)入直流電流中形成串?dāng)_。

5仿真結(jié)果分析

從圖7可以看出，功放在輸入功率為28 dBm時(shí)，輸出功率達(dá)到45.3 dBm，而在輸入功率小于3dBm時(shí)基本上沒有輸出功率，因?yàn)楣Ψ殴芴幵诮刂範(fàn)顟B(tài)，隨著輸入功率的增加，輸出功率也會(huì)跟著上升，增益也一樣，當(dāng)輸入功率過小時(shí)增益是負(fù)的，當(dāng)輸入功率為28 dBm時(shí)，功放的增益為17 dB，此時(shí)的功率提高85.7%。從功率和效率來看，都滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

6結(jié)束語

本文通過ADS仿真軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)頻率為13.6 MHz的功率放大器，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)采用1：1“平衡.不平衡”變壓器、LC匹配網(wǎng)絡(luò)和微帶線作為匹配網(wǎng)絡(luò)。功放三極管為推挽輸出三極管。同樣，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用L型匹配網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過ADS仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輸出功率為45 dBm，增益為17 dB，效率達(dá)到85%以上的設(shè)計(jì)指標(biāo)。其對ADS進(jìn)行放大器的仿真設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

作者簡介：

龐云（1985—），碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)視覺。