胡小軍

（電子科技大學(xué) 四川 成都 610054）

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，除了廣為人知的無(wú)線廣播、衛(wèi)星電視等公共通信服務(wù)外，包括以手機(jī)、無(wú)線局域網(wǎng)和藍(lán)牙等為代表的個(gè)人服務(wù)也進(jìn)入到人們的視野中，并逐步成為人類生活中不可替代的通信工具。同時(shí)隨著技術(shù)日新月異的發(fā)展和人們通信需求的增加，無(wú)線通信產(chǎn)業(yè)還將繼續(xù)向前蓬勃發(fā)展。在無(wú)線通信系統(tǒng)中，功率放大器[1]是無(wú)線發(fā)射機(jī)中的核心模塊之一，它不僅僅是將信號(hào)放大以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的可靠傳輸，而且對(duì)信號(hào)的效率[2－4]、穩(wěn)定度和帶寬等方面都提出了很高的要求。因此對(duì)于微波功率放大器的研究和設(shè)計(jì)有著重要是意義。

1 功率放大器的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

本設(shè)計(jì)方案選取的是NXP公司的BLF7G22L130功率管，設(shè)計(jì)的主要性能指標(biāo)為:工作頻段2 150～2 170 MHz；輸出功率為30 W （44.7 dBm）；在中心頻率處的工作效率大于70%，增益平坦度要求小于0.5 dB。

1.2 靜態(tài)工作點(diǎn)與偏置電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)放大器首先需要確定靜態(tài)工作點(diǎn)，利用 ADS[5]中的“FET_curve_tracer”的模板可以很方便地仿真出其輸出特性曲線。再參考BLF7G22L130的 datasheet，可以確定當(dāng) Vds=30 V，Ids=950 mA時(shí)，各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足要求。

確定靜態(tài)工作點(diǎn)后，就要確定偏置電路的形式和參數(shù)。借助 ADS中的設(shè)計(jì)向?qū)Чぞ?（DesignGuide→Amplifier→Tools→Transistor Bias Utility）可以輕易完成。因?yàn)?ADS所提供的元件數(shù)值是非標(biāo)稱的，所以需要設(shè)計(jì)者用與 ADS提供的數(shù)值接近的標(biāo)稱元件進(jìn)行替代。

1.3 負(fù)載牽引法設(shè)計(jì)共軛匹配

為了得到最佳的線性度和較好的效率，使功率放大管在最佳狀態(tài)下工作，并充分發(fā)揮其潛力，所以采用負(fù)載牽引[6]特征對(duì)BLF7G22L130進(jìn)行等功率曲線和等效率曲線的掃描，以選擇最佳輸出阻抗來(lái)進(jìn)行功率放大器設(shè)計(jì)。

按上述確定好的最佳靜態(tài)直流工作點(diǎn)設(shè)置好電路，然后基于 ADS軟件中Load－Pull－PAE對(duì)該偏置好 BLF7G22L130電路模型進(jìn)行負(fù)載牽引的最佳輸出阻抗設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)仿真頻率為2 160 MHz，仿真后選取最佳的輸出阻抗如圖1所示。

圖1 負(fù)載牽引仿真結(jié)果Fig.1 Load－pull simulation results

該BLF7G22L130模型在靜態(tài)工作點(diǎn)的條件下，能夠得到理想的最大效率PAE為69.39%，輸出功率為47.08 dBm。綜合考慮輸出功率、效率和線性度等條件，這里選取Zload=1.17+j*0.348作為該MRF21030模型在該靜態(tài)工作條件下的最佳輸出阻抗，以其共軛作為輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的阻抗。

采用同樣的設(shè)計(jì)方法，基于ADS軟件中的Source－Pull－PAE，對(duì)該偏置好的電路模型進(jìn)行負(fù)載牽引的最佳輸入出阻抗設(shè)計(jì)，這時(shí)需要把按最佳輸出阻抗匹配好的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)加入到電路中進(jìn)行仿真。選取得到最佳的輸入阻抗點(diǎn)Zsource=2.648－j*0.796，并以它的共軛作為輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的參考。

在得到最佳源阻抗和負(fù)載阻抗后，需要通過(guò)阻抗變換將之匹配到50 Ω，本方案采用階梯阻抗變換器實(shí)現(xiàn)匹配，利用階梯阻抗變換器中不同阻抗微帶線反射波相互抵消的原理，將源和負(fù)載阻抗匹配到50 Ω。負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)仿真原理圖Fig.2 Simulation schematic diagram of output matching network

1.4 整個(gè)放大器模塊

整個(gè)電路中加入輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)后，相互之間都存在著影響，需要對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)補(bǔ)償輸入匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)對(duì)輸出網(wǎng)絡(luò)的影響，以達(dá)到最大的功率輸出。即可將所有電路綜合起來(lái)進(jìn)行整體的放大器仿真。其仿真電路圖如3所示。

圖3 放大器整體仿真原理圖Fig.3 Schematic diagram of amplifier

2 電路仿真與結(jié)果分析

對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的整個(gè)電路進(jìn)行建模仿真，得到的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 效率和輸出功率曲線Fig.4 Curves of effectiveness and output power

由圖4可以得到，在輸入功率在30 dBm時(shí)，輸出功率可達(dá)到50.46 dBm，可以滿足1 dB輸出功率30 W的要求，在該輸入功率處的效率達(dá)到70%；由圖5可以得到增益平坦度小于0.5 dB，在頻率2150～2170 MHz內(nèi)效率在 70%以上，輸出功率在50 dBm以上，可見(jiàn)該功率放大器具有很高的效率，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。

圖5 工作頻帶內(nèi)效率和輸出功率曲線Fig.5 Curves of effectiveness and output power in working bands

3 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)中對(duì)功率放大器設(shè)計(jì)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行了分析，在ADS環(huán)境中進(jìn)行了電路的調(diào)試和仿真，應(yīng)用了源、負(fù)載牽引技術(shù)，利用LDMOS器件的高效率、高線性度，高輸出功率和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，從而得到了高效率功率放大器。

[1]黃謀輝.射頻功率放大器的研究與設(shè)計(jì)[D].北京郵電大學(xué)，2007.

[2]Iwamoto M，Williams A，Chen P F，et al.An extended amplifier with high efficiency over a wide power range[J].IEEE Transactions on microwave theory and Techniques，2001，49（12）:2472-2479.

[3]Srittana N，Radhavan A.Doherty amplifier for WCDMA[C]//Proc.33rd European Microwave Conf，2003:1337-1340.

[4]Cha J，Yang Y，Shin B，et al.An adaptive bias controlled power amplifier with a load-modulated combining scheme for high efficiency and linearty[J].in IEEE MTT-S Int，Microwave Symp，2003（1）:81-84.

[5]徐興福，何川.ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[6]Pisani U，F(xiàn)errero A.A unified calibration algorith for scattering and load-pull measurement[C]//IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference，1996：1250-1253.