寬帶功率放大器的仿真設計研究

中國電子科技集團公司第五十四研究所 杜 浩 劉雪峰 宋海濤

0.概述

無線通信技術的快速發展，對頻段利用效率提出了更高要求。無線通信裝備中重要的組成部分功率放大器，其帶寬要求達到3倍頻程。為了解決超寬帶微波功放面臨的技術瓶頸，通過寬帶匹配技術仿真設計寬帶功放。在寬帶功放的設計過程中，要對功率管的輸出能力進行反復調試，通常在實物設計之前，需要對功放電路進行仿真，目前常用ADS進行仿真設計。

1.功放設計

寬帶功放主要設計難點是幅頻特性設計，功放在不同頻率的增益不同，需要在設計時通過匹配補償等設計手段補償增益平坦度。匹配補償技術原理是在放大器級間引入匹配電路，目的是降低帶內高增益的地方，使得放大器整體增益在要求帶寬內盡量平坦。通常可以在匹配電路中采用電阻的方式來實現，利用微帶短路線的阻抗變換作用，降低高增益的頻段的增益，獲得較寬信號帶寬。

同時，對于寬帶阻抗匹配設計，可以在放大器阻抗匹配是采用多節λ/4支節、漸變傳輸微帶線、低Q多級匹配等方法實現。

漸變線傳輸微帶線匹配，是一種特性阻抗連續變化的設計，等效于多節阻抗變換線在長度極限小的情況下的一種阻抗變換。發射系數為：

由上述公式可知，反射系數隨著L的增大而變小。可實現寬帶匹配。

低Q多級匹配，需要在Smith圓圖內畫出等Q線，實現阻抗自己的匹配。一般需要多級LC匹配級聯實現低Q值指標。

本設計采用sumitomo公司的GaN功率管EGN25C07012，其小信號S參數如下所示。

圖1 s參數

根據S參數，需要根據對應帶寬的阻抗值，采用上述寬帶設計方法，來設計仿真電路。對于輸入匹配網絡設計，考慮在需要帶寬內有良好的駐波比，數傳匹配網絡，主要考慮阻抗匹配，使得放大器輸出功率達到30W，工作帶寬達到800MHz～3500MHz。

同時，對于功率放大器設計，靜態工作點設計尤為重要，本次設計將其偏置在AB類工作狀態，具備較高的線性度。

2.電路仿真

采用ADS來進行功放仿真設計，將EGN25C07012功率管的特性參數導入到仿真模型，在小信號情況下首先對S參數進行匹配仿真，在放大器輸入和輸出采用寬帶匹配技術，增加了多支節匹配技術和匹配補償技術。具體仿真電路原理圖如圖2所示。

圖2 ADS功放仿真原理圖

圖3 功放頻譜特性

3.結果驗證

通過ADS的仿真和優化設計，主要驗證功放仿真的頻譜特性，即800MHz～3500MHz帶內平坦度和Smith圓圖的阻抗匹配結果。仿真結果如圖3所示。

由圖2仿真結果可知，寬帶功放的主要設計難點800MHz～3500MHz帶內增益平坦度為0.3dB，帶內較為平坦，設計結果滿足需求。