30～512MHz兩級寬帶功率放大器極間匹配設計

黎明林

摘 要：文章設計了一個極間匹配網絡，使驅動級的輸出阻抗直接匹配到末級放大器的輸入阻抗。這種極間匹配網絡提高了30～512 MHz寬帶功率放大器的線性輸出功率和效率，同時減少了極間匹配元件，簡化了匹配網絡，縮小了功率放大器的體積。這種極間匹配網絡是通過寬帶同軸巴倫、電容并含電阻組成的有損網絡的匹配網絡相結合實現的，應用ADS軟件仿真優化了同軸電纜的長度和匹配電容的容值，使設計的極間匹配網絡在5個倍頻程的頻帶內獲得較優性能。

關鍵詞：功率放大器;寬帶;極間匹配;同軸巴倫;ADS軟件

0 引言

功率放大器作為現代電子微波系統的最末端，在迅猛發展的移動通信事業中越發凸顯了其必不可少、不可替代的重要性。功率放大器發展至今，廣泛應用在各類通信領域，諸如手機、雷達、電臺、干擾機等無線通信系統。當前隨著軟件無線電技術的廣泛運用，系統對功率放大器的帶寬和輸出功率提出了越來越高的要求，使得超寬帶、大功率、高效率、高線性度的功率放大器應用前景極為廣闊[1]。本文以實際項目中用于電臺的功率放大器設計為實例，集中討論了寬帶功放極間匹配設計過程。主要設計指標要求為：（1）工作頻段（Freq）為30～512 MHz;（2）輸出功率（Pout）≥80 W;（3）效率（η）≥35%;（4）雙音頻率間隔200 kHz時，三階互調失真 （IMD3）≤-28 dBc。針對這些指標要求，采用兩級功放管級聯，設計了輸入、級間和輸出匹配網絡，制作了寬帶功放，具備高輸出功率、高線性度、高效率以及小型化等特點。

1? ? 電路設計

一般情況下，針對多級功率放大器的設計方法是使每一級功率管輸入、輸出都匹配到50Ω，中間再加上一個π型網絡，衰減部分射頻信號以防止自激，最后級聯組成多級放大器。這樣輸入、輸出分別需要同軸巴倫來完成寬帶匹配。這樣的優勢是每一級自成一體，方便調試，維修等也方便;同樣的，其劣勢也很明顯，這樣極大地限制了電路布局空間的小型化，同時級聯時容易自激（一般選擇添加π型電阻網絡，衰減射頻信號來解決自激），這樣降低了放大器的輸出功率和效率。本兩級寬帶功率放大器設計在傳統的寬帶匹配電路基礎上，保留驅動級功率管的輸入匹配電路和末級功率管輸出匹配電路，在驅動級功率管的輸出處和末級功率管的輸入處設計兩級功放極間匹配所需要的阻抗變換。通過使用同軸巴倫所用同軸電纜的阻抗和鐵氧體磁芯，結合集總元件使這種極間匹配努力在全頻帶內實現最佳匹配。

橫向擴散金屬氧化物半導體場效應管（LDMOS）作為一種性價比很高的器件，自20世紀80年代應用以來一直在通信系統的固態功放中起著主導作用。隨著它向高頻率、大功率和寬帶的方向發展，憑借其在線性、增益、成本、可靠性等方面的優良性能，逐步的替代了BJT管和VDMOS管。根據這些特點，驅動級功放管選SEMELAB的功放管D1016UK，末級功放管選原恩智浦（現埃賦隆）公司的功放管BLF647P，都采用24 V供電，增益分別為13 dB和22 dB，具有高增益特性，穩定性較高。兩級功放管為推挽結構，工作類型設計為線性度較好的AB類。推挽結構的場效應晶體管輸入阻抗高、線性好，其熱穩定性、抗失配能力和可靠性都有優勢，且器件內180°相位差虛擬地降低了共模電感，增加了穩定性和工作帶寬，還能抑制偶次諧波[2]。

IMD3是功率放大器的線性指標表示方式之一。本設計采用了功率回退法來保證線性指標。功率回退，即要求功率放大器要達到比設計需求大得多的功率，通過回退到設計需求的功率，以滿足線性化要求。回退法要求驅動級放大器的線性指標要比末級更好。回退法的不足是效率低、輸出功率受線性度要求制約明顯。在效率要求越來越高的情況下，為了提高效率，希望在滿足線性度指標的同時，讓末級盡量飽和工作，使驅動級承擔更多的線性指標。因此，需要將驅動級的IMD3設計得很低。驅動級優于末級的IMD3越大，則級聯放大器的交調系數惡化越小，其線性越高。這對我們選擇級聯放大器的驅動級管子具有很高的參考價值。假設兩級放大器的IMD3之差的絕對值為A，即A=d1-d2（d1，d2分別為驅動級和末級的IMD3），則驅動級的IMD3對末級的IMD3的影響值B（末級交調惡化值）可用下式來表示：

隨頻率的變化，每提高一個倍頻程，功率管增益下降6dB，且頻率越低，輸入、輸出阻抗越高，越難實現寬帶匹配。為實現多個倍頻程的寬帶匹配，基于對輸出功率、增益、效率等的考慮，運用同軸巴倫寬帶匹配技術，采用同軸巴倫對功率管進行匹配，同時在同軸巴倫上使用磁性材料以擴展其工作帶寬，并且采用有損網絡匹配兼顧低端功率。為了實現D1016UK的輸出阻抗到BLF647P輸入阻抗的匹配，應用一個4∶1平衡-非平衡的同軸巴倫，其中同軸電纜選用的MICRO-COAX公司的UT-034C-10，其外徑約0.86 mm，內徑約0.51 mm，阻抗為10 Ω，電纜的長度小于最高頻率的1/8波長（f為512MHz，λ/8約為50 mm）。為了兼顧低端，選用了鐵氧體磁芯來增大磁通量以補償低端。磁芯選用FAIR-RITE公司的雙孔磁芯2861002402，其磁導率μ為125。將同軸電纜穿過雙孔磁芯構成4∶1的同軸巴倫。同時考慮到級聯的穩定性，級間匹配前增加了12個1 206封裝的150 Ω電阻組成有損網絡。級聯匹配原理如圖1所示。

隨著頻率升高，功率管的阻抗進一步減小，這時單純由4∶1的同軸巴倫已經難以完成全頻段的極間匹配。為滿足設計的要求，因此還需使用高Q射頻電容使匹配網絡實現全頻段匹配。使用ADS軟件對同軸巴倫和電容參數值進行仿真并優化，獲得相應的理想參數。同軸巴倫和電容參數仿真，如圖2所示。

2 測試結果

根據以上設計和仿真結果，使用2 mm厚的FR4板材，加工雙面PCB。為了便于功放的散熱，背面不要阻焊層，用螺釘將兩級功放管和PCB都固定在紫銅做的散熱器上，使功放管充分散熱。研制的功放實物如圖3所示，實測結果如表1所示。

實測功放輸出功率為49.1～50.3 dBm（81～105 W），功率增益33.8～32.3 dB，功率附加效率大于40%，輸出峰值功率80 W時，IMD3抑制的測試值大于28 dBc。滿足設計指標要求，完成寬帶功率放大器研制。

3 結語

本文設計的兩級寬帶功率放大器，采用寬帶同軸巴倫、電容并含電阻組成的有損網絡的匹配形式，同時利用ADS軟件仿真優化了同軸電纜的長度和匹配電容的容值，在實際調試中只需要進行微小的改動，便能滿足設計需求。這種極間匹配減小了功率放大器的布局空間，為電臺的小型化創造了良好的條件。

[參考文獻]

[1]張海燕，叢鍵.一種新型SCA電臺的分析與設計[J].通信技術，2012（9）：21-24.

[2]GREBENNIKOV A.RF and microwave power amplifier design[M].New York： The McGraw-Hill? Companies，2005.

（編輯 王永超）