高效率30～512 MHz寬頻帶功率放大器設計

隨著通信與對抗電子技術突飛猛進發(fā)展，提高通信速率、可通率、頻帶利用率至關重要，高效率寬帶線性功率放大器衍生而出，而它對功率放大器的工作帶寬、體積、線性度、ACPR、效率、穩(wěn)定性等性能指標有了更高的要求。作為射頻發(fā)射鏈路最重要組成部分，高效率寬帶線性功放在通信與電子對抗中都起著關鍵性的作用。

1 技術要求

效率、輸出功率、帶寬、線性度、駐波比和散熱方面是功率放大器設計中所涉及的主要難點，然而這幾個指標并不能同時滿足，需要通過平衡進行取舍，找到合適的折衷方法。本方案設計實現(xiàn)一款高效率寬頻帶功率放大器，具體指標如下：

1）工作頻率：（30 ～ 512）MHz；

2）輸出功率Pavg：3 ～ 5 W；

3）鏈路增益：≥ 25 dB；

4）效率@Pavg：優(yōu)于10%；

5）ACPR：優(yōu)于-35 dBc；

6）高次諧波：優(yōu)于-40 dBc；

7）增益平坦度：優(yōu)于±2；

8）電源供電：DC +14.4 V；

所需電磁仿真軟件為Agilent 公司的ADS（Advanced Design System 2011）與 Cadence 公司的allegro 軟件；所需測試環(huán)境包括：電源，信號源，矢量網(wǎng)絡分析儀，頻譜儀，功率衰減器等。

2 專業(yè)術語

平均輸出功率：Average Output Power（Pavg）；

鄰信道功率比：Adjacent Channel Power Ratio（ACPR）；

功率附加效率：Power Added Efficiency（PAE）；

1 dB 功率壓縮點：Power of 1dB compression point（P-1）。

3 總體方案

該高效率寬帶功率放大器的整體工作框圖如圖1所示。

圖1 功率放大器的整體工作框圖

此寬帶線性功率放大器的工作頻率帶寬達到近五個倍頻程，工作頻帶寬，線性要求較高，綜合考慮波形峰均比以致輸出峰值功率較大，且同時兼顧小型化設計需求，采用兩級功率放大器級聯(lián)的方式可以滿足方案設計目標。兩級功率放大器均采用平衡式負反饋結構并工作于甲乙類^[1]。射頻信號從推動級功率放大器輸入端進入，經(jīng)過兩級放大與輸入輸出阻抗匹配后，由末級功率放大器輸出端輸出，得到所需要的大功率信號。

4 設計原理

4.1 推動級功率放大器設計

4.1.1 推動級功率放大器電路設計

目前寬帶功率放大器設計的主要結構包括LC/ 電阻匹配網(wǎng)絡、并聯(lián)電阻性反饋、平衡式負反饋結構^[2]。如圖2 所示功率放大器設計采用平衡式負反饋結構，選取推挽結構的功放管，提高偶次諧波抑制，通過兩個180°巴倫結構進行不平衡與平衡轉換。同時，采用電阻直接負反饋形式以提高電路穩(wěn)定性、可靠性及增益平坦度等性能指標。

圖2 平衡式負反饋功率放大器結構圖

4.1.2 推動級功放管的選取

推動級功率放大器需結合末級功率放大器一起選擇，如增益偏低，需要再增加一級驅動放大，同時兼顧線性度，盡量遠離飽和區(qū)，不會對后端線性度產(chǎn)生影響。

本方案選取了Polyfet 公司的LQ821 功放管，該功率放大器具有高效率，高線性度，高增益，低噪聲的特點，適合做寬帶推動級功率放大器。其基本參數(shù)如下：

1）頻率范圍：0 ～ 500 MHz；

2）小信號增益：≥ 12 dB@500 MHz；

3）輸出功率：≥ 20 W；

4）漏級效率：55%@500 MHz；

5）工作電壓：12.5 V；

6）存儲溫度范圍：-65℃~+150℃；

7）漏源電壓：36 V。

4.1.3 穩(wěn)定性設計

放大器穩(wěn)定電路的設計直接關聯(lián)設備的可靠性，如其穩(wěn)定系數(shù)＜ 1，可能產(chǎn)出自激震蕩，造成功放管溫度極具上升甚至擊穿，大大降低設備可靠性。通過ADS的仿真分析可知，LQ821 在（30 ～ 512）MHz 的頻帶范圍內(nèi)不穩(wěn)定，所以需要對其進行穩(wěn)定性設計。

電阻直接負反饋技術是實現(xiàn)寬帶功放比較常用的技術，本方案中通過在漏柵極加入電阻直接負反饋網(wǎng)絡來提高電路的穩(wěn)定性，并且在柵極端加入對地電阻與電容，進一步優(yōu)化整個頻帶內(nèi)增益平坦度和阻抗匹配，同時也改善穩(wěn)定性。加入穩(wěn)定電路后，穩(wěn)定系數(shù)仿真結果如圖3所示。

圖3 穩(wěn)定系數(shù)仿真結果圖

可以看出，加入穩(wěn)定性電路設計之后，整個頻帶內(nèi)的穩(wěn)定系數(shù)呈“U”型，且穩(wěn)定系數(shù)大于1.1，已達到穩(wěn)定設計要求。

4.1.4 匹配電路設計

在功率放大器輸入、輸出阻抗匹配電路設計中，字面都是阻抗匹配，但遵循不同的設計原則。在實際設計理念時，輸入匹配電路設計，要考慮功率放大器的穩(wěn)定性、輸入輸出阻抗等因素。輸出匹配電路設計時，則側重于高次諧波抑制^[3]、額定功率輸出、輸出效率、線性度的需求。

匹配完成后，若某些頻點處未能達到具體要求，需要對整個匹配電路進行調(diào)整。通過仿真優(yōu)化整個匹配網(wǎng)絡，改善整體性能指標，經(jīng)過優(yōu)化后，S 參數(shù)仿真結果如圖所示。從仿真結果可以看出，在整個工作頻帶（30 ～ 512）MHz 中，放大器的回波損耗S11 小于-7 dB，小信號增益S21 在17 dB 左右，小信號增益平坦度小于±1 dB，基本滿足總體方案的設計要求，仿真結果如圖 4 所示。

圖4 S參數(shù)仿真結果

在進行阻抗匹配時，史密斯圓圖^[4]上應先確定等Q圓，尤其是在做寬帶匹配時。由于匹配電路Q 值越小，可實現(xiàn)的工作帶寬就越寬，但缺點是匹配鏈路增加，造成電路復雜度提升及PCB 尺寸的增加；具體設計中需綜合考慮。

在進行阻抗匹配時，不僅要保證增益，駐波比等指標滿足要求，更應該結合能否構成低通或高通濾波器^[5]從而減少諧波對于功放影響的匹配設計進行合適的優(yōu)化調(diào)整。實際匹配中一般很少用到電阻，因為它對信號有較大損耗降低效率，同時還會給整個設備引入一定的噪聲。優(yōu)化過程中對于變量的設定需要合理設置，盡量選擇能夠與現(xiàn)實器件值接近相符的，通常都需要進行多次優(yōu)化，才能到達優(yōu)化目標。

可以看出，通過引入電阻直接負反饋網(wǎng)絡，犧牲一定的效率及增益，但帶來的好處是增益更為平坦，線性度及穩(wěn)定性也得到提高。

4.2 末級功率放大器設計

4.2.1 末級功率放大器選取

末級功率放大器設計方法與推動級基本一致，選擇蘇州遠創(chuàng)達公司的MJ1505 功放管用于末級放大器，其基本參數(shù)如下：

1）頻率范圍：0 ～ 1 500 MHz；

2）小信號增益：≥ 15 dB@500 MHz；

3）輸出功率：≥ 50 W；

4）漏級效率：55%@500 MHz；

5）工作電壓：+24 V；

6）存儲溫度范圍：-65℃~+150℃；

末級功率放大器的仿真原理圖如圖5所示。

圖5 末級功率放大器的仿真原理圖

4.2.2 輸出阻抗匹配設計

傳輸線變壓器^[6]相當于一種分布參數(shù)與集總參數(shù)相結合的阻抗變換器，有其獨特的特性，它兼有分布參數(shù)電路使用頻率高的優(yōu)點，又有集總參數(shù)體積小巧的優(yōu)點而且易于制作、焊接、調(diào)試等，本方案末級功率放大器的輸出阻抗匹配采用傳輸線變壓器來實現(xiàn)。下文將以輸出阻抗匹配為例來討論傳輸線變壓器。

基于負載牽引技術^[7]，在未加入輸出匹配電路時，末級功率放大器的輸出阻抗如圖6（a）所示。其中紅色圓點線代表輸出阻抗值實部，藍色三角線代表輸出阻抗值虛部?？梢钥闯?，未加入匹配電路時輸出阻抗值較小，且隨頻率不斷變化，實部在50 Ω 附近變化，且虛部接近零。

（a）未加入匹配電路

（b）加入1:2阻抗變換器

（c）加入1:4阻抗變換器

（d）加入1:9阻抗變換器

圖6 輸出阻抗

在電路輸出端，分別加入阻抗比1∶2，1∶4，1∶9的變壓器，輸出阻抗值分別如上圖6 中（b）（c）（d）所示?？梢钥闯?，加入阻抗變換器之后，輸出阻抗值成比例增大，而且加入1∶2 阻抗變換器后，低頻輸出阻抗更接近50 Ω，加入1∶4 阻抗變換器后，高頻輸出阻抗更接近50 Ω，所以相應頻段的增益與效率改善較為明顯?？紤]到功放管的增益隨頻率增加而降低，選擇1∶4 阻抗變換器。此傳輸線變壓器實物制作中考慮低端30 MHz覆蓋，加入磁芯繞制，材料具體選擇FAIR RITE 公司61 系列磁導率為125 的磁芯及特性阻抗為25 Ω 的高頻線纜材料。

4.2.3 效率、功率、增益的實現(xiàn)

在頻率為512 MHz 時，對末級功率放大器的增益和效率進行仿真，仿真結果與輸出功率的關系曲線如下圖7 所示。從仿真結果圖中可以看出，在輸出功率8 W（39 dBm）時，高頻端的工作增益高于14 dB，工作效率高于21%，滿足設計要求。

（a）增益曲線

（b）效率曲線

圖7 512 MHz頻點仿真結果

在輸入功率為19 dBm 時，對（30 ～ 512）MHz 整個頻帶進行仿真，得到的輸出功率和增益的仿真結果如圖8 所示。從圖中可以看出，輸入功率為19 dBm 時，在整個頻帶內(nèi)，輸出功率大于35 dBm（圖8（a）所示），增益大于16 dB（圖8（b）所示），增益平坦度優(yōu)于±1，滿足設計指標。

（a）輸出功率曲線

（b）增益曲線

圖8 整個頻帶仿真結果

4.2.4 高次諧波抑制的實現(xiàn)

利用ADS 自帶的Harmonic balance 控件對功率放大器進行諧波仿真，得到的仿真結果如圖所示，其中紅色圓點線代表三次諧波抑制結果，藍色三角線代表五次諧波抑制結果^[8]。從仿真結果圖可以看出，功率放大器的三次諧波抑制優(yōu)于-40 dBc，五次諧波抑制優(yōu)于-70 dBc，滿足設計指標，仿真結果如圖9 所示。

圖9 諧波抑制仿真結果

5 實物制作圖

利用AD10 排版軟件設計PCB 板，板層為2 層，厚度1.6 mm，印制板材料選用FR-4，其具體實物制作圖見圖10；指標詳細測試結果見圖11。

圖10 實物制作

圖11 測試數(shù)據(jù)

6 結束語

綜合上述設計方案，結合ADS 仿真軟件的仿真數(shù)據(jù)制作實物，實物測試結果滿足設計指標，能夠實現(xiàn)高效率（30~512）MHz 寬頻帶功率放大器設計。

參考文獻：

[1] 劉茂林,王斌,李冉,等.基于階梯阻抗變換器的寬帶功率放大器設計[J].電子元件與i材料,2020 40(5):479-484，490.

[2] 謝曉峰,肖仕偉,沈川.0.02～2 GHz GaN 分布式功率放大器的原理及設計[J].現(xiàn)代電子技術,2012,35(24):141-144.

[3] 陳思弟,鄭耀華,章國豪.高效率高諧波抑制功率放大器的設計[J].電子技術應用.2015,41(4):60-62.

[4] 寧仁霞.史密斯圓圖在《高頻電子線路》中的教學與應用[J].黃山學院學報,2017.

[5] 候鈞.20~1 000 MHz 100W GaN寬帶功率放大器研制[J].電子設計工程,2018.

[6] (美)路德維格(Ludwig,R.)著.射頻電路設計-理論與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002,5.

[7] HENRY M D，BRINZA D E.DS1 ion propulsion emission characterization[C].2001 IEEE Aerospace Conference Proceedings,2001.

[8] 盧益鋒.ADS 射頻電路設計與仿真學習筆記[M].北京:電子工業(yè)出版社,2015.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年8月期）