低電壓高效率微波功率放大器研究與設計

摘要 介紹了一種應用于低電壓的微波雙極性晶體管放大器的電路設計方法。通過分析微波晶體管的模型，比較了小信號法、負載牽引法和文中使用匹配方法對輸出功率、效率和線性度的影響。文中設計了一款可以用于GSM通信終端發射的功率放大器，并對采用3種不同匹配方式進行對比，仿真結果表明，文中所用方法輸出功率和效率較高、線性度較好。
關鍵詞 功率放大器；高效率；低電壓；雙極性晶體管

功率放大器設計的好壞直接影響著整個系統的性能。按照其工作狀態一般可以分為A、B、C類，以及類似于開關工作狀態的D、E、F類等。或根據放大器輸出功率的大小，將放大器設計分為小信號設計和大信號設計。利用諧波平衡負載牽引法進行非線性電路設計，是目前較為有效的一種方法。該方法已經廣泛應用到大信號器件特性的提取以及非線性電路設計中。
但是，對于工作在低電壓的微波放大器設計，如何更好地通過匹配電路提高效率和線性度卻少有報道。小信號法在小信號時效果較好，不適用于大信號分析。負載牽引法輸出功率和效率都較好，但線性度較差。文中結合小信號法和負載牽引法的各自特點，提出輸入匹配電路采用小信號匹配法，輸出匹配電路采用負載牽引法，得到較好的性能。

1 工作原理
小信號法又稱增益匹配法，放大器工作在線性狀態下，給定放大器的增益，在Smith圓圖中，做出輸入輸出的增益圓，得出增益點的源和負載反射系數，然后根據源和負載反射系數做出輸入輸出匹配電路。
隨著輸入功率的增加，放大器進入非線性區域，產生一系列失真，按照小信號法的分析結果不再適用于大信號狀態。
諧波平衡負載牽引法是通過不斷改變晶體管負載阻抗，測試功放的輸出功率和效率。在最大輸出功率和最大效率之間取一個阻抗值作為輸出阻抗。同理，改變源阻抗，在最大輸出功率和最大效率之間取一個值作為輸入阻抗。
由于諧波平衡負載牽引法是按照輸出功率和效率設計匹配電路，所以其小信號時的增益一般不如小信號法高，而且線性度較差。根據小信號法增益高、諧波平衡負載牽引法輸出功率和效率高的特點，文中輸入端采用小信號法匹配，輸出端采用諧波平衡負載牽引法匹配設計了一款可以用于GSM通信終端發射的功率放大器，并對采用3種不同情況的輸出功率、效率、線性度進行了比較。

2 放大器設計
文中選用NEC公司的NE662M04 NPN晶體管，靜態工作點為：工作電壓2V，基極電為300μA時，工作電流20mA。
2．1 小信號法
用安捷倫公司ADS設計軟件，采用小信號分析方法，得出最大增益為17．384dB。輸入輸出增益圓如圖1，圖2所示。輸入阻抗5．858+ j2．288 Ω，輸出阻抗43．404+j52．364Ω。輸入功率為0 dBm時，輸出功率為12．76 dBm，效率為23．57％，如圖5和圖6所示。

2．2 負載牽引法
首先通過負載牽引法，等輸出功率圓如圖3所示。輸出功率最大點的輸出阻抗為35．858+j52．288Ω。將放大器的負載阻抗設為該值，再使用源牽引法，等輸出功率圓如圖4所示。最大輸出功率點的輸入阻抗為7．258+j2．689 Ω。輸入功率為0 dBm時，輸出功率為15．58 dBm，效率為47．68％，帶外功率抑制比為-39 dBe(偏離中心頻率60MHz處)。如圖5～圖7所示。