一種基于傳輸線變壓器的超寬帶功率放大器的設計

張立

（西安導航技術研究所，陜西 西安 710068）

1 概述

隨著通信、電子對抗等設備綜合化程度的提高，以超寬帶功率放大器為核心的超寬帶發射機的開發越來越重要。相比于窄帶功放，超寬帶功率放大器的設計難度大、輸出效率低、輸出功率水平低，成為當前制約超寬帶大功率發射機應用的因素之一。隨著當前國際局勢的影響，通信設備在國產化方面的需求越來越重要，超寬帶功放模塊面臨著高功率、高效率等挑戰的同時，還需要解決國產化的問題。三代半導體（GaN 等材料）具有較快的電子遷移率，較高的擊穿電壓，較高的導熱率等特性，可以用于超寬帶大功率電路的設計[1-2]。但是GaN 功率器件在使用中也有不便之處，柵極阻抗較低，匹配的難度大。工作狀態，柵壓為負值，若上電時序處理不當，功率管容易燒毀，所以負壓保護電路的設計也尤為重要。

本文針對綜合射頻系統的超寬帶需求，通過仿真分析設計了同軸線變壓器寬帶匹配方案，并給出了大耐受度的負壓保護電路方案，最終應用GaN 功率管，采用傳輸線巴倫和負反饋的匹配技術，設計一款所有器件符合100%國產化要求的超寬帶功率放大器。經過仿真分析和硬件實測，該放大器指標滿足系統應用要求。

2 放大器設計

2.1 技術要求

（1）工作頻率：30MHz～512MHz；

（2）輸入功率：40dBm±1dB；

（3）輸出功率：≥53dBm（200W）；

（4）帶內平坦度：≤1dB；

（5）占空比：100%；

（6）效率：≥60%；

（7）ACPR：≥35dBc（回退6dB）；

（8）電源：+48V。

2.2 傳輸線巴倫

本文設計的功放頻率跨越多個倍頻程（30MHz～512MHz），對應功率管阻抗值的波動范圍超過十幾倍。如果使用LC 節或微帶、電容混合電路來設計電路，將需要龐大的匹配電路，工程實現上是不可行的。使用傳輸線變壓器（TLT，Transmission Line Transformer）實現阻抗變換可以解決這個問題。

TLT 是傳輸線纏繞在一定規格的磁芯上制作而成，按照不同的方式連接，改變電流的傳輸方式，可構成不同形式的傳輸線變壓器。因為同軸線的內外導體之間的耦合特性良好，導致同軸線型TLT 的耦合電容相對較低，能夠在寬帶范圍內完成阻抗變換[3-4]。

本文采用的TLT 結構如圖1 和圖2 所示。圖1 中的同軸線特性阻抗為50Ω，采用1:1 傳輸線巴倫的形式，可以支撐功放的推挽結構，平衡端的阻抗為25Ω。圖2 中的同軸線特性阻抗為25Ω，采用4:1 傳輸線巴倫的形式，將25Ω 的阻抗變換到6.25Ω。

圖2 4:1 傳輸線巴倫

TLT 的磁芯可以減小或消除低頻的諧振尖峰，但也會使頻段高端性能惡化。由于電磁波主要是在傳輸線的介質中傳播，所以由磁芯而引起的損耗比較小，一般的磁芯采用鎳鋅材料或者高頻鐵氧體制成。磁環的尺寸選擇主要考慮需要耐受的功率，可根據不同功率大小選擇直徑從毫米到數十毫米級別的磁環。過大的電感值將會惡化高頻指標，所以在電路設計中需控制磁環的電感值，公式（1）是其經驗公式。

其中，ωmin表示最小角頻率，R 表示中心頻點的輸入阻抗。

2.3 電路設計

本文設計的功放工作電壓為+48V，為GaN HEMT晶體管，單管輸出大于100W，雙管推挽合成后，輸出功率大于200W，平衡式架構具有較高的穩定性及可靠性[5]。

匹配方案如圖3 所示，輸入阻抗采用兩級匹配方式，第一級采用1 個同軸TLT（巴倫），將入的單端信號轉變為差分信號，進行不平衡- 平衡轉換。第二級采用4:1 的TLT，將50Ω 阻抗變換到12.5Ω，其單端對地阻抗為6.25Ω，與晶體管單管阻抗6.125Ω 相近，可以利用微帶線進行調節使其阻抗匹配。使用負反饋電路改善平坦度，輸出阻抗匹配原理與輸入阻抗匹配一致。

圖3 電路原理框圖

2.4 仿真分析

使用ADS 軟件進行兩級巴倫匹配的仿真分析和匹配電路的參數設計，仿真原理圖如圖4 所示。

圖4 兩級TLT 仿真原理圖

巴倫端口增益關系如圖5 所示，端口相位關系如圖6 所示，在30MHz～512MHz 頻帶內，經兩級巴倫匹配后，端口1 到端口2 和端口3 的增益幅度相等，相位差為180°，插入損耗較小，端口阻抗匹配良好。

圖5 端口增益仿真結果

圖6 端口相位仿真結果

2.5 負壓保護設計

正常工作裝填的GaN 放大器的柵極為負電壓，若為零或正電將會燒毀功率管，所以負壓保護電路尤為重要。圖7 為負壓保護的原理圖，U1 和U2 為兩個DC/DC器件，輸出電壓分別為-10V 和+5V，U3(光耦)、D1（二極管）、R1（電阻）等元器件組成負壓檢測電路，此電路在柵極為負壓時，U3(光耦)輸出電平為高。U4 是“與門”器件，在發射開關和光耦輸出都為正時，輸出電平Vd 為高，Q2（MOS 管）導通，漏極電路正常，其他的情況下，Q1 為關閉狀態，漏極電壓為零可以有效保護GaN 放大器[3]。

圖7 負壓保護原理圖

2.6 實物加工測試

為了適用大功率要求，選用直徑較粗的同軸線巴倫，磁芯也選用了耐受功率更強的、飽和磁通量更高的型號。實物如圖8 所示，測試時采用某平臺驅動模塊推動。

圖8 超寬帶放大器實物圖

實測數據如表1 所示，在30MHz～512MHz 頻段內，功放輸出功率均高于53dBm,漏極效率優于60%，滿足模塊設計要求。

表1 測試結果

ACPR 測試結果如圖9 和圖10 所示，在功放輸入功率回退6dB 的情況下，MSK 調制信號，ACPR 指標由于39dBc，滿足指標要求。

圖9 30MHz 的ACPR 測試結果

圖10 512MHz 的ACPR 測試結果

3 結論

本文基于全國產器件，給出了一款30MHz～512MHz超寬帶200W 功率放大器的實現方式。采用同軸巴倫結構實現超寬帶匹配，討論了巴倫匹配的實現方法及優勢，測試結果顯示，在30MHz～512Hz 頻段內，放大器最小輸出功率大于200W，漏極效率大于60%，且平坦度優于1dB，滿足指標要求。