劉 洋 王治國(guó) 李燕南

空軍通信士官學(xué)校，遼寧 大連 116600

基于TQP7M9105的超寬帶功率放大器優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 洋 王治國(guó) 李燕南

空軍通信士官學(xué)校，遼寧 大連 116600

超寬帶功率放大器是寬帶微波發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分?；赥QP7M9105，設(shè)計(jì)工作頻率為400～8000 MHz，帶寬為400 MHz的超寬帶功率放大器。經(jīng)仿真優(yōu)化給出了具體電路和參考參數(shù)，并為超寬帶功率放大器的研制提供參考價(jià)值，也具有較大的工程參考依據(jù)。

功率放大器；阻抗匹配；超寬帶；功率增益

1 緒論

隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，寬帶功率放大器應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在移動(dòng)電話、衛(wèi)星通信網(wǎng)、無(wú)線通信、通信技術(shù)及毫米波自動(dòng)防撞系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著光電的發(fā)展，在光傳輸過(guò)程中，寬帶功率放大器是系統(tǒng)的重要部分。

本文基于TQP7M9105對(duì)超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，提出了一個(gè)較為完善的研究路線。以S參數(shù)為基礎(chǔ)，分析放大器的基本設(shè)計(jì)要素，如穩(wěn)定性、增益和增益平坦度等。然后用ADS軟件實(shí)際進(jìn)行寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，最后完成帶寬為200 MHz的超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證[1]。

2 基于TOP7M9105的超寬帶功率放大器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 功率放大器的技術(shù)指標(biāo)要求

本次設(shè)計(jì)的基于TQP7M9105的超寬帶功率放大器，主要技術(shù)參數(shù)如下：工作帶寬400～800 MHz，帶寬為400 MHz，穩(wěn)定系數(shù)＞1，增益＞18 dB，晶體管為T(mén)QP7M9105，其供電電壓為+5 V，其可工作的頻率為50～1500 MHz。

2.2 超寬帶功率放大器的結(jié)構(gòu)框圖

圖1為超寬帶功率放大器的結(jié)構(gòu)圖。為了使傳輸?shù)脑鲆孀畲螅谳斎肫ヅ浜洼敵銎ヅ渚W(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了同時(shí)共軛匹配的方法。

圖1 超寬帶功率放大器的結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)放大器設(shè)計(jì)好后，需要通過(guò)仿真，檢驗(yàn)性能指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)性能要求。在進(jìn)行仿真時(shí)，需要利用到TQP7M9105的S參數(shù)。其中晶體管S參數(shù)可以從廠家網(wǎng)站下載，即S2P格式文件。本晶體管正常工作電壓+5 V，電流200 mA，工作頻帶50～1500 MHz。當(dāng)晶體管工作在950 MHz時(shí)，增益為+47 dBm。

阻抗匹配已經(jīng)成為射頻電路以及最大功率傳輸系統(tǒng)中的基本部件。為了使寬帶射頻功率放大器的輸入、輸出達(dá)到最佳的功率匹配。匹配電路的設(shè)計(jì)成為射頻功率放大器的重要任務(wù)。匹配電路設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分：一部分是輸入匹配的設(shè)計(jì)；另一部分是輸出匹配電路的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程可以通過(guò)ADS軟件進(jìn)行仿真，觀察S11和S22參數(shù)，看輸入、輸出匹配電路是否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。要使超寬帶功率放大器工作在絕對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下，則必須設(shè)計(jì)合適的輸入、輸出匹配電路[2]。

2.3 設(shè)計(jì)流程

2.3.1 TQP7M9105的簡(jiǎn)介

TQP7M9105是TriQuint第三代5 V線性驅(qū)動(dòng)放大器的最新產(chǎn)品?？商峁? W（+30 dBm）的P1 dB射頻輸出功率，增益為19.4 dB，輸出三階交調(diào)截取點(diǎn)（OIP3）為達(dá)到同類產(chǎn)品最高線性度的49 dBm，在+5 V電壓下耗電僅為220 mA。

2.3.2 輸入匹配電路

輸入匹配電路是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。輸入匹配做不好將會(huì)影響管子的效率，甚至有可能導(dǎo)致管子無(wú)法正常工作。輸入匹配電路設(shè)計(jì)方法如下：

（1）在原理圖窗口中元器件庫(kù)列表→ Date Items→S2P，將其放入原理圖，然后在元器件庫(kù)中選擇Simulation_s_parm→Term添加到原理圖中；在工具欄中選擇兩個(gè)接地圖標(biāo)添加到原理圖中，并將S-parmeters和Zin也添加到原理圖，并用導(dǎo)線相互連接。本電路圖的主要作用是用來(lái)確定管子的輸入阻抗和輸出阻抗。通過(guò)此電路圖確定管子輸入阻抗為2.1-j*1Ω。

（2）運(yùn)用史密斯圓圖進(jìn)行輸入匹配電路的設(shè)計(jì)。在元件面板列表中選擇Smith Chart Matching，然后從面板中調(diào)出匹配控件建立電路。在工具欄中選擇Tool→Smith Chart Utility，在Smith Chart Utility中進(jìn)行電路匹配，設(shè)計(jì)符合要求的輸入匹配電路，最后在DA_Smith Chart Match1中生成電路圖。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)此電路帶寬不是很寬，因此需要改進(jìn)。通過(guò)并聯(lián)一些電容來(lái)降低電路品質(zhì)因數(shù)，增加電路帶寬，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，最終得出電路圖。

（3）最終輸入匹配電路測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在400～800 MHz的頻帶范圍內(nèi)，S11小于－5 dB。這表明輸入端反射回來(lái)的能量比較少，即輸入匹配電路設(shè)計(jì)比較好，符合本次設(shè)計(jì)的要求。

2.3.3 輸出匹配電路的設(shè)計(jì)

輸出匹配電路應(yīng)具備損耗低，駐波比良好，諧波抑制度高，輸出功率高及非線性良好等功能。輸出匹配設(shè)計(jì)方法如下：

（1）電路測(cè)的管子的輸出阻抗為139+j*3Ω。

（2）運(yùn)用史密斯原圖進(jìn)行輸出匹配電路的設(shè)計(jì)。在元件面板列表中選擇Smith Chart Matching，然后從面板中調(diào)出匹配控件，建立電路。在工具欄中選擇Tool→Smith Chart Utility，在Smith Chart Utility中進(jìn)行電路匹配，設(shè)計(jì)符合要求的輸入匹配電路，最后在DA_Smith Chart Match1中生成電路。

（3）最終輸出匹配電路圖的仿真結(jié)果如圖2所示。通過(guò)對(duì)最終電路進(jìn)行仿真，可輸出匹配電路的S11和S21參數(shù)值的曲線圖。S參數(shù)的值可以看出在300～800 MHz頻率范圍內(nèi)，S11小于零且其值都在－5 dB以下，表明輸出匹配電路性能較好，符合設(shè)計(jì)的要求。

2.3.4 輸入和輸出匹配做好后的最終原理圖

將輸入匹配電路圖封裝在X1中，輸出匹配電路圖封裝在X2中，形成最終原理圖。將輸入和輸出匹配封裝后的電路圖[3]。封裝目的主要使電路圖在原理圖中顯得簡(jiǎn)潔直觀，也使測(cè)試電路圖在原理圖中顯得不是那么復(fù)雜。X1中封裝的是輸入匹配電路圖，X2中封裝的是輸出匹配電路圖。

3 印制電路版圖及最終實(shí)物

對(duì)設(shè)計(jì)電路的加工版圖進(jìn)行加工，加工的電路見(jiàn)圖2，電路中焊接了必要的電容、放大器芯片以及偏執(zhí)電壓線等。對(duì)電路的增益進(jìn)行測(cè)試，實(shí)際測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖2 實(shí)物電路圖

圖3 實(shí)物電路測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖3的測(cè)試結(jié)果，可以看出，電路測(cè)試設(shè)計(jì)的400～800 MHz的寬頻帶內(nèi)增益的平坦度實(shí)現(xiàn)較好，在500 MHz頻率附近有稍許下降，通過(guò)后期的調(diào)試，對(duì)并聯(lián)電容的連接位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，可能會(huì)進(jìn)一步改善增益平坦度。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，證實(shí)了本文提出的通過(guò)并聯(lián)接入電容，降低電路品質(zhì)因數(shù)以增加放大器設(shè)計(jì)帶寬的可能性。驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)比較成功。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于TQP7M9105的超寬帶功率放大器設(shè)計(jì)，工作在400～800 MHz頻率范圍內(nèi)，帶寬為400 MHz，增益約為19 dB的超寬帶功率放大器基本達(dá)到了預(yù)設(shè)的要求。

[1]朱剛.超寬帶原理與干擾[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[2]王金龍，王呈貴，闞春榮.無(wú)線超寬帶電通信原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[3]南敬昌，馮永生，劉元安.L波段小信號(hào)放大器ADS設(shè)計(jì)與仿真[J].微波學(xué)報(bào)，2007（23）：143-147.

Optimal Design of Ultra Wideband Power Amplifier Based on TQP7M9105

Liu Yang Wang Zhiguo Li Yannan
Air Force Communications Sergeant Academy, Liaoning Dalian 116600

Ultra wideband power amplifier is an important part of broadband microwave transmitting system. Based on TQP7M9105, an ultra wideband power amplifier with a working frequency of 400 to 8000 MHz and a bandwidth of 400 MHz are designed. Through simulation and optimization simulation, the specific circuit and reference parameters are given, which provides reference value for the development of ultra wideband power amplifier, and also has great engineering reference.

power amplifier; impedance matching; ultra wideband; power gain

TN722.75

A

1009-6434（2017）7-0006-02