竇建華， 蘇 州， 楊學(xué)志， 吳永忠

（合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009）

射頻功率放大器是無(wú)線發(fā)射機(jī)的重要部件，多載波廣播發(fā)射系統(tǒng)要求功率放大器具有足夠的增益、帶寬和較高的線性度。前饋線性化技術(shù)可以在不損失電路增益和帶寬的前提下抑制主功放產(chǎn)生的非線性失真［1］，其前饋技術(shù)原理如圖1所示。系統(tǒng)中，主功率放大器除了需要具備較高的增益和效率外，還要研究前饋環(huán)路中幅值和相位的匹配問(wèn)題。

在現(xiàn)代射頻功率放大器設(shè)計(jì)中，利用廠家給出的晶體管大信號(hào)模型，在ADS軟件下作負(fù)載牽引仿真，得到最優(yōu)輸入輸出阻抗，不必搭建復(fù)雜且嚴(yán)格的負(fù)載牽引系統(tǒng)。但是功率放大器工作在大信號(hào)狀態(tài)下時(shí)，輸入阻抗和輸出阻抗變換范圍很大，寬帶功放的匹配網(wǎng)絡(luò)不能使用傳統(tǒng)的LC匹配電路。實(shí)際功放管的源阻抗和負(fù)載阻抗中具有電抗的成分，所以匹配電路中應(yīng)包含2個(gè)部分，分別為抵消阻抗的虛部和對(duì)實(shí)部進(jìn)行變換。當(dāng)實(shí)部的變換比例較大時(shí)，可以使用傳輸線變壓器實(shí)現(xiàn)寬帶阻抗變換。

圖1 前饋系統(tǒng)原理

本文利用大信號(hào)非線性模型與負(fù)載牽引仿真，確定最優(yōu)負(fù)載阻抗與源阻抗，使用同軸線結(jié)構(gòu)的傳輸線變壓器與集總參數(shù)元件實(shí)現(xiàn)匹配電路，設(shè)計(jì)了多載波前饋系統(tǒng)中的主功率放大器。

1 傳輸線變壓器

傳統(tǒng)的磁耦合變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)高頻頻段的任意阻抗比變換，但是功率容量受鐵氧體磁芯材料限制，并且繞組間的寄生電容和漏電感對(duì)變壓器的高頻性能影響較大，限制了其帶寬。而傳輸線變壓器中功率傳輸以傳輸線模式進(jìn)行，因此功率容量取決于傳輸線而不是磁芯，可實(shí)現(xiàn)若干個(gè)倍頻程內(nèi)的阻抗變換。

常用的傳輸線變壓器結(jié)構(gòu)有平行線、同軸線和雙絞線結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)使用同軸線結(jié)構(gòu)的傳輸線變壓器實(shí)現(xiàn)甚高頻段的大功率寬帶阻抗匹配。同軸線的結(jié)構(gòu)與等效圖如圖2所示，其中aa′為同軸線內(nèi)導(dǎo)體，bb′為同軸線外導(dǎo)體。信號(hào)在同軸線中傳輸時(shí)，內(nèi)外導(dǎo)體中的電流幅度相等，相位相反；內(nèi)外導(dǎo)體上電壓幅度和相位均相等。傳輸線按照不同的結(jié)構(gòu)連接，可以實(shí)現(xiàn)特定阻抗比的傳輸線變壓器［2］。本設(shè)計(jì)使用圖3所示的4∶1同軸線巴倫，實(shí)現(xiàn)了非平衡端到平衡端4∶1的阻抗變換。

圖2 同軸線的結(jié)構(gòu)與等效圖

圖3 4∶1同軸線巴倫

傳輸線變壓器的低頻特性主要依賴于同軸線外導(dǎo)體的等效電感，高頻特性取決于同軸線的長(zhǎng)度。此外，同軸線的特征阻抗最優(yōu)值應(yīng)為阻抗變換器兩端阻抗的幾何平均值，即，但實(shí)際應(yīng)用的同軸線特征阻抗基本為50Ω或75Ω，使用非最佳傳輸線特征阻抗會(huì)引起低頻帶寬減小，可以在輸入匹配端的阻抗變換器上添加鐵氧體來(lái)彌補(bǔ)［3］。4∶1阻抗變換器的插入損耗為［4］：

其中，Z0為同軸線的特征阻抗；ZL為阻抗變換器低阻抗端的阻抗；l與β分別為同軸線的長(zhǎng)度與相位常數(shù)，插入損耗與同軸線長(zhǎng)度的關(guān)系如圖4所示。由圖4可以看出，同軸線長(zhǎng)度不宜超過(guò)最高工作頻率處波長(zhǎng)的1／8。

圖4 插入損耗與同軸線長(zhǎng)度的關(guān)系

2 功率放大器的設(shè)計(jì)與分析

2.1 器件選擇與直流偏置

為了達(dá)到較高的增益，功放管選用Freescale公司的增強(qiáng)型LDMOS功率場(chǎng)效應(yīng)管MRF6VP2600H，工作頻率為10～250MHz，P1dB為53.3dBm，功率增益G1dB為25.3dB。

功率放大器的工作狀態(tài)對(duì)線性特性的影響較大，當(dāng)柵源偏置電壓與夾斷電壓接近時(shí)，功率放大器工作在高效率模式下，線性度很差。因此，為了兼顧效率與線性的關(guān)系，本設(shè)計(jì)采用推挽結(jié)構(gòu)并使功放管工作在AB類狀態(tài)，可使三階互調(diào)失真改善10dB以上［5］。

2.2 負(fù)載牽引仿真

負(fù)載牽引仿真是使用軟件對(duì)功放管的大信號(hào)非線性模型，計(jì)算出輸出功率隨負(fù)載阻抗的變化曲線。在直流偏置確定的前提下，對(duì)特定的測(cè)量頻率和功率，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的復(fù)阻抗，這些阻抗在Smith阻抗圓內(nèi)構(gòu)成一個(gè)封閉曲線，不同的測(cè)量功率對(duì)應(yīng)不同的曲線，從而得到一系列負(fù)載阻抗曲線。圖5所示為利用ADS軟件得到的負(fù)載牽引仿真結(jié)果，細(xì)線表示等輸出功率圓，隨著測(cè)量功率的增加，曲線收縮到輸出阻抗為13＋j17.8的點(diǎn)，該阻抗即是功率放大器輸出最大功率所需要的最佳負(fù)載阻抗，圖5中的粗線表示等附加效率圓。

圖5 負(fù)載牽引仿真結(jié)果

根據(jù)已確定的輸出阻抗，對(duì)功放管做源牽引仿真，得到最佳輸入阻抗，然后根據(jù)最佳輸出阻抗和輸入阻抗設(shè)計(jì)匹配電路［6］。

2.3 匹配電路

采用同軸線結(jié)構(gòu)的匹配電路，如圖6所示。

圖6 同軸阻抗變換器實(shí)現(xiàn)的匹配網(wǎng)絡(luò)

對(duì)窄帶大信號(hào)狀態(tài)下功放管做負(fù)載牽引仿真，得到最佳阻抗是Smith圓圖上的一個(gè)點(diǎn)，但是寬帶功放則對(duì)應(yīng)Smith圓圖上的一個(gè)區(qū)域，輸入輸出阻抗在幾歐姆至十幾歐姆范圍內(nèi)變化。通過(guò)設(shè)計(jì)同軸線的電長(zhǎng)度，使之在低頻處與功放管的輸入輸出阻抗匹配。頻率升高時(shí)，并聯(lián)電容和同軸線外導(dǎo)體的等效電感構(gòu)成π型匹配網(wǎng)絡(luò)，使高頻阻抗降低，從而在高頻率處與器件相匹配［7－8］。

在實(shí)際電路的制作過(guò)程中，輸入端的傳輸線變壓器增加了鐵氧體，以改善傳輸線變壓器的低頻特性。而輸出端由于功率較大，鐵氧體造成的功率損失也大，不使用鐵氧體。此外，匹配電路中的電感選用高Q值的空心電感，以減小匹配電路的損耗。

2.4 保護(hù)電路

保護(hù)電路是射頻功放系統(tǒng)必不可少的一部分，過(guò)流保護(hù)電路采用高壓側(cè)電流檢測(cè)放大器LTC6101，將電流在檢測(cè)電阻上產(chǎn)生的小差分信號(hào)放大，輸出電壓信號(hào)經(jīng)A／D采樣到控制器，控制功放的工作狀態(tài)。駐波保護(hù)電路［9］使用雙向定向耦合器IPP8045和雙通道真有效值對(duì)數(shù)檢波管AD8364，實(shí)現(xiàn)入射波與反射波的功率檢測(cè)，如圖7所示，入射功率和反射功率由耦合器取出，經(jīng)衰減器進(jìn)入檢波管，輸出的2路電壓信號(hào)通過(guò)AD8364內(nèi)部的減法電路后，輸出Vout到控制器。Vout與反射系數(shù)Γ的關(guān)系式為：

其中，D為雙向定向耦合器的方向性，本設(shè)計(jì)D的參數(shù)為20。根據(jù)（1）式，由反射系數(shù)求出控制電路的基準(zhǔn)電平，當(dāng)檢測(cè)到Vout小于基準(zhǔn)電平時(shí)，降低功放輸入或關(guān)閉功放。

圖7 駐波保護(hù)電路

3 測(cè)試

使用功率源、功率計(jì)和頻譜儀對(duì)功放進(jìn)行測(cè)試，電源電壓48V，輸入功率0dB時(shí)，頻率從80～120MHz范圍內(nèi)變化。為測(cè)試功放線性度，使用雙音信號(hào)，輸入頻率分別為88MHz和96.6MHz，圖8所示為輸出功率為20dB時(shí)的雙音測(cè)試結(jié)果。

圖8 雙音測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可知，在工作頻段內(nèi)功率增益大于20dB，增益平坦度±1dB，三階交調(diào)抑制－20dBc，滿足多載波前饋系統(tǒng)中對(duì)主功放的增益和線性度要求。

單音信號(hào)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1所列。

表1 88～108MHz輸出功率

4 結(jié)束語(yǔ)

多載波前饋系統(tǒng)中的主功率放大器除了具備寬頻帶、高增益和較高的效率之外，還要確保較好的線性度和增益平坦度。本設(shè)計(jì)采用推挽結(jié)構(gòu)，同軸阻抗變換器結(jié)合集總元件共同實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)了100W功率輸出的高線性度功率放大器，滿足系統(tǒng)要求。

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