寬帶大功率放大器設計

陳小兵

摘要：本文介紹了一款輸出功率大于200W的寬帶功率放大器。該放大器的帶寬跨越了5個倍頻程，放大器使用推挽式場效應晶體管，采用負反饋技術、集總元件、微帶混合寬帶匹配電路實現，并加入自動功率控制（ALC）技術。通過ADS軟件的仿真和反復調試，得到理想的結果。

關鍵詞：放大器；寬帶；大功率；負反饋；推挽

中圖分類號：TN722.75 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0199-01

功率放大器在眾多通訊設備中起著關鍵作用。隨著現代移動通信的快速發展，寬帶、大功率的放大器有廣闊的應用前景。

VHF/UHF波段由于波長較長，電路需要大量采用集總參數元件，電路中集中參數和分布參數電路的特性往往同時存在。按照傳統的匹配電路設計思路和方法進行電路仿真設計，往往得不到較為滿意的測試結果，因此寬帶匹配技術是本次設計的難點。如何解決集總參數元件寄生參量對電路的影響，是設計此類電路的關鍵。

1 功率放大器的設計

1.1 設計指標

工作頻段：30MHz～520MHz；輸入電壓駐波比：<1.5；增益： ≥53dB；輸出功率：≥200W；諧波抑制：≥15dBc；雜波抑制：≥70dBc；附加效率：≥38%。

1.2 整體方案的設計

輸入信號首先經過電調衰減電路，該電路主要用于ALC環路之中，在功率放大器的輸出端接入耦合器，對耦合出來的射頻信號進行檢波來獲得相應的電壓，將電壓反饋至電調衰減電路，完成對輸入信號的控制。接著射頻信號經四級放大鏈路進行放大，得到輸出需要的大功率。放大器設計框圖如圖1。

此寬帶功率放大器的增益高、頻帶寬、功率大，因此，加入了負反饋電路來保證功率放大器的穩定性。并在電路中增加自動功率控制（ALC）電路，控制最大輸出功率。由于需要的增益較高，放大鏈路采用四級。預前級、前級選用集成放大器，工作在小信號狀態下，這兩級電路設計比較簡單，可以為整個鏈路提供32dB的增益。后兩級選用MOSFET場效應管，均為對管結構，推動級功放管采用SEMELAB公司的功率管，可以提供10dB的增益和大于10W的功率輸出，末級功放管采用NXP公司的大功率LDMOS管，可以提供15dB的增益和大于200W的功率輸出，后兩級使用推挽平衡結構并使其工作在AB類，兼顧放大器的效率和線性。

1.3 穩定性及偏置電路設計

穩定性是放大電路基礎。如果放大器在不穩定狀態工作，功率管將會在某些頻點和負載條件下產生振蕩而造成損傷，所以在設計中要判定晶體管是否穩定。放大器的穩定性主要跟晶體管的S參數和匹配網絡有關。放大器穩定的充要條件是：k>1，Δ<1。

其中：

本設計在級間適當加入有耗網絡，并采用了負反饋技術，利用ADS仿真軟件優化匹配電路，保證放大器工作穩定。

直流偏置網絡決定了放大器的工作點，器件資料上給出的靜態工作點和射頻特性參數對于電路的設計有很大的參考價值，也可用仿真軟件自帶的直流掃描模板，確定功率管的工作點。通過優化偏置電路的串聯電感和旁路電容，減小偏置網絡對射頻匹配網絡的影響。

1.4 寬帶匹配網絡設計

功率管工作在大信號模式下時，管子的輸入輸出阻抗變化比較大，增益也會隨頻率的上升呈現下降趨勢，須提供一個隨頻率按正斜率變化的匹配網絡，來補償增益的滾降，所以放大器的設計主要就是匹配網絡的設計，也是重點和難點所在。特別是寬帶功率放大器，匹配電路設計的合理與否，會直接影響放大器的各種指標和性能。本次設計采用了傳輸線變壓器搭建平衡電路實現單級功率管及級間的良好匹配，加入負反饋增加放大器的工作帶寬，主要設計工作通過ADS仿真優化，再根據實際測試結果進行調試。

1.5 ALC電路設計

為了避免功放因輸入功率過大或產生自激時損壞晶體管和測試設備，我們在設計中加入了自動功率控制電路（ALC）。通過輸出端耦合器對信號采樣后進行檢波處理，配合輸入端的電調衰減器，來控制最大輸出功率。

2 寬帶功率放大器的仿真

2.1 推動級電路仿真

推動級放大器主要對前級輸出信號進行進一步放大，為末級功放提供足夠的功率推動。其匹配電路主要影響功率放大器的增益和增益平坦度。使用ADS仿真軟件進行設計優化，目的是在兼顧放大器的增益、增益平坦度、穩定性的同時，達到最大的輸出功率，最終功率曲線如圖2所示。

2.2 末級電路仿真

末級放大直接提供功放的最終輸出功率，其設計是整個功放的關鍵技術之一。NXP提供了單管的大信號模型，運用ADS的Load-Pull模板對晶體管進行大信號仿真，確定最佳負載阻抗。

確定最佳負載阻抗，只是為匹配電路設計及后期調試提供參考。本級采用的是推挽平衡式結構，它能改善功放的輸入輸出駐波比、線性度以及有效的抑制偶次諧波。匹配電路采用1：4傳輸線變壓器來實現阻抗變換，通過仿真軟件進一步仿真優化和調試，達到理想狀態。

3 結語

本文介紹了一種寬帶大功率放大器的設計方案。采用推挽平衡式寬帶功放結構，運用傳輸線變壓器、微帶混合匹配技術，經實際測試，最終實現了全頻段200W以上的輸出功率，38%以上的附加效率和其它技術指標，達到了設計要求。

參考文獻

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Abstract：This paper introduces a broadband power amplifier with output power greater than 200W.The amplifier bandwidth spans five octave. push-pull MOSFET ，Negative-feedback technology， Microstrip and Lumped element mixed broadband matching circuits and ALC were used. The power amplifier was simulated using ADS and Was tuned repeatedly，then a desired result was obtained.

Key words：amplifier；broadband；high-power；negative feedback；push-pull