隨著通信與對抗電子技術突飛猛進發展，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、穩定性等性能指標有了更高的要求。作為射頻發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：優于10%；

5）ACPR：優于-35 dBc；

6）高次諧波：優于-40 dBc；

7）增益平坦度：優于±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；所需測試環境包括：電源，信號源，矢量網絡分析儀，頻譜儀，功率衰減器等。

2 專業術語

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/ 電阻匹配網絡、并聯電阻性反饋、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，不會對后端線性度產生影響。

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 穩定性設計

放大器穩定電路的設計直接關聯設備的可靠性，如其穩定系數＜ 1，可能產出自激震蕩，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 的頻帶范圍內不穩定，所以需要對其進行穩定性設計。

電阻直接負反饋技術是實現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絡來提高電路的穩定性，并且在柵極端加入對地電阻與電容，進一步優化整個頻帶內增益平坦度和阻抗匹配，同時也改善穩定性。加入穩定電路后，穩定系數仿真結果如圖3所示。

圖3 穩定系數仿真結果圖

可以看出，加入穩定性電路設計之后，整個頻帶內的穩定系數呈“U”型，且穩定系數大于1.1，已達到穩定設計要求。

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整。通過仿真優化整個匹配網絡，改善整體性能指標，經過優化后，S 參數仿真結果如圖所示。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化調整。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，盡量選擇能夠與現實器件值接近相符的，通常都需要進行多次優化，才能到達優化目標。

可以看出，通過引入電阻直接負反饋網絡，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，選擇蘇州遠創達公司的MJ1505 功放管用于末級放大器，其基本參數如下：

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與集總參數相結合的阻抗變換器，有其獨特的特性，它兼有分布參數電路使用頻率高的優點，又有集總參數體積小巧的優點而且易于制作、焊接、調試等，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。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。可以看出，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。可以看出，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。考慮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

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，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

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于-40 dBc，五次諧波抑制優于-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 測試數據

6 結束語

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

參考文獻：

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年8月期）