劉國華 周國祥 郭燦天賜 程知群

(杭州電子科技大學射頻電路與系統(tǒng)教育部重點實驗室 杭州 310018)

1 引 言

無線通信基礎設施的復雜性、通信標準和頻率分段的日益增加，對功率放大器的效率和工作帶寬提出了更高的要求[1]。隨著5G通信的到來，收發(fā)機系統(tǒng)一直朝著低能耗、高效率和寬頻帶的方向飛速發(fā)展[2]。而匹配電路作為功率放大器的關鍵部分，其設計性能直接決定了功放的效率、帶寬和功率等技術指標。因此，寬帶匹配電路的設計是寬帶功放設計的主要任務。

目前，設計者們對高效率功放帶寬的擴展，通常采用連續(xù)類思想[3，4]來實現(xiàn)。連續(xù)類思想的功放通過增加諧波控制因子，擴大了最優(yōu)阻抗解空間，但由此增加了匹配電路設計的難度。另外，設計者采用混合類[5—8]的諧波控制網(wǎng)絡，在不同的頻點下使功放分別工作在不同的類別(J/F/F—1)，拓展了功放的帶寬，但與此同時也會增加電路的復雜性。濾波結構的阻抗匹配網(wǎng)絡也被應用到功放的寬帶匹配網(wǎng)絡設計中[9，10]，該方法不僅要保證功放的工作頻率在通帶內，而且過渡帶的衰減速度問題也是設計的難點。1977年，實頻法由Carlin首先提出，它是一種基于線性分段近似逼近最佳特性的網(wǎng)絡綜合方法[11]，為寬帶匹配網(wǎng)絡設計提供了新的途徑。1982年，Yarman在原始實頻法的基礎上，對算法進行了改進，提出了簡化實頻算法[12]。后來，該算法與電路設計相結合并被使用到功放的設計上[13]，盡管可以設計出寬頻帶電路，但是要實現(xiàn)性能良好的多倍頻程寬帶電路還是有一定的困難。

為了進一步拓展帶寬，本文使用GaN HEMT(氮化鎵材料工藝，使得器件輸出功率水平可以得到大幅提高[14])晶體管器件，基于改進的簡化實頻算法，結合負載牽引技術，對功放的寬帶匹配網(wǎng)絡進行設計優(yōu)化，完成了一款覆蓋多個移動通信頻段的超寬帶功率放大器的設計。

2 簡化實頻法理論分析

2.1 傳統(tǒng)簡化實頻法

圖1所示為用散射參數(shù)表示的匹配網(wǎng)絡。實頻法將無耗的二端口網(wǎng)絡用S參數(shù)表示

其中，n代表了網(wǎng)絡中的元件數(shù)。h(s)與g(s)是n項的赫爾維茲多項式。

其他匹配網(wǎng)絡的散射參數(shù)可表示為

通過無耗原則，得到g與h的關系。可以將傳輸功率增益(Transducer Power Gain， TPG)表示為

在整個頻段內，盡可能的優(yōu)化TPG，使其接近于設置的優(yōu)化目標T，依據(jù)兩者差值作為優(yōu)化的誤差函數(shù)。

2.2 改進的簡化實頻法

實驗表明，在一個跨多倍頻的帶寬范圍內，晶體管負載牽引最優(yōu)阻抗數(shù)據(jù)波動較大，簡化實頻法使頻帶內所有頻點優(yōu)化到目標TPG是有困難的。因此傳統(tǒng)的實頻技術在多倍頻上實現(xiàn)寬帶匹配有局限性。針對上述傳統(tǒng)實頻技術的問題，本文對優(yōu)化算法進行改進，在優(yōu)化TPG的基礎上，結合負載牽引技術對阻抗的分布規(guī)律進行分析，使阻抗呈圓形狀分布于中心頻點周圍，可以在更寬的工作頻帶下發(fā)揮晶體管的潛能。

圖1 散射參數(shù)的匹配網(wǎng)絡

通過負載牽引技術得到晶體管負載的寬頻各點的最優(yōu)阻抗值，最優(yōu)阻抗大致分布在一個區(qū)域內，選取中心頻率點阻抗(Zcy+j·Zcx)與最邊緣頻點的阻抗(Zsy+j·Zsx)的虛部與實部的差值作為優(yōu)化目標Zx和Zy

建立阻抗的誤差函數(shù)

建立TPG的誤差函數(shù)

其中，T(s)為設計出寬帶匹配網(wǎng)絡的傳輸功率增益(TPG); T0為初始設置的傳輸功率增益(TPG)優(yōu)化目標。

使用最小二乘法對匹配電路的Terror(s)和負載阻抗Zerr同時優(yōu)化，使TPG誤差函數(shù)值盡可能趨近于0的同時，保證阻抗誤差函數(shù)的值趨近于1，最終可以得到一個跨多倍頻程的寬帶匹配電路。由于負載牽引選取的是最優(yōu)PAE軌跡，最終也會提升功率放大器電路的整體效率。

3 超寬帶功率放大器的設計

在先進設計系統(tǒng)(Advanced Design System，ADS) 軟件中，對晶體管的輸出負載端進行負載牽引，獲取0.5～2.7 GHz范圍內10個頻點的最優(yōu)阻抗值，如表1所示。

將10個頻點的最優(yōu)阻抗值作為簡化實頻法的輸入數(shù)據(jù)，進行寬帶匹配網(wǎng)絡的設計與優(yōu)化。通過簡化實頻法得出了輸出匹配網(wǎng)絡的h與g具體表達式

將得到的h與g表示出匹配網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)，對其使用長除法進行變形，得到式(13)，式中變量S的系數(shù)就是所設計的LC結構

表1 各個頻點下的最優(yōu)阻抗值

圖2所示為簡化實頻法得到的輸出匹配電路，其是由集總參數(shù)的LC結構組成。集總參數(shù)寬帶匹配網(wǎng)絡還需要轉換為微帶拓撲結構，將利用到Richard和Kiruoda法則對其進行變換，對其適當?shù)膬?yōu)化修正即可，優(yōu)化得到的電路如圖3所示?？招娜潜硎玖司w管負載最優(yōu)阻抗的變化趨勢，實心方塊代表了變換后輸出匹配的輸入阻抗值的變化趨勢?？梢园l(fā)現(xiàn)，實心方塊曲線是圍繞著中心阻抗點Z為圓心，呈現(xiàn)順時針圓的趨勢進行變化，優(yōu)化的結果與實頻法預想的結果相符合。表明優(yōu)化的匹配電路可以在寬頻帶內實現(xiàn)匹配。

對圖3所示的寬帶匹配電路進行S參數(shù)仿真得到的結果如圖4所示。在目標頻段范圍內，S11均小于10 dB， S21也趨向于0 dB，展現(xiàn)了良好的寬帶特性，也驗證了方法的可行性。功放的輸入匹配電路采用階躍式的匹配結構，在ADS中進行仿真優(yōu)化。將偏置電路與輸入、輸出匹配網(wǎng)絡放入到整個電路中，得到的整體拓撲結構如圖5所示。

圖2 簡化實頻法得到的輸出匹配電路

圖3 晶體管負載數(shù)據(jù)和輸出匹配網(wǎng)絡

4 實現(xiàn)與測試結果

前面利用電路仿真軟件對提出的超寬帶功率放大器進行了設計，驗證了所提改進的簡化實頻算法的可行性。為進一步驗證所提出方案的正確性，基于Cree公司的CGH40010F晶體管，采用Rogers4350B基板(H=0.76 mm， εr=3.66)對所設計的超寬帶功率放大器進行了實物加工測試。其中，柵極和漏極的直流偏置電壓分別為：VG=—2.7 V， VD=28 V。

對功放電路進行小信號測試，仿真與測試結果如圖6所示。從圖6中可以看出，在頻帶范圍內，S21小信號增益最大14 dB。大信號測試結果如圖7所示。在0.5～2.7 GHz頻段內，輸出功率為40.4～42.5 dBm，漏極效率為 64% ～75%，增益為 10～12.3 dB。

表2 是本文所設計的功放與近幾年同類文獻中的相關功放在主要技術指標上的對比，功率器件均采用氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN High Electron Mobility Transistor， HEMT) 器件。在工作帶寬方面，本文設計的功放相對帶寬為137%，高于其它文獻中的帶寬指標，不僅展示出了良好的寬帶特性，而且在效率上也有優(yōu)勢。

5 結論

圖4 匹配電路的S參數(shù)仿真結果

圖5 整體拓撲結構

圖6 小信號仿真與測試結果

圖7 漏極效率、輸出功率和增益仿真與測試結果

表2 本文與近幾年論文中功放主要指標對比

本文基于改進的簡化實頻技術，采用Cree公司的GaN HEMT器件設計了一款可以覆蓋多個頻段的超寬帶功率放大器。通過將傳統(tǒng)簡化實頻技術與負載牽引的技術結合，在原有TPG優(yōu)化的基礎上，進一步完成阻抗特定區(qū)域的匹配，以實現(xiàn)功放的寬帶化。實測結果顯示，在0.5～2.7 GHz頻帶內，所設計的功放輸出功率為40.0～42.5 dBm，漏極效率達到 64%～75%。實物測試結果表明了本文將寬帶匹配算法應用于功放的設計，不僅擴展了其工作帶寬，還適當提高了功放的效率，綜合指標取得了較好的效果。