寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)

摘要：介紹一個兩級2 W的寬帶功率放大器設(shè)計(jì)，頻率范圍從700 MHz～1．1 GHz。前級放大器采用MMICPower Amplifier HMC481MP86，末級采用飛思卡爾公司的LDMOS場效應(yīng)晶體管MW6S004N。飛思卡爾公司提供的datasheet中沒有包含在設(shè)計(jì)所要求的頻段和功率輸出值時相應(yīng)的輸入和輸出阻抗值。為了正確匹配，采用ADS的負(fù)載牽引法得到LD-MOS場效應(yīng)晶體管MW6S004N的輸入和輸出阻抗值，然后使用有耗匹配式放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)，并使用ADS對設(shè)計(jì)的放大器進(jìn)行仿真和優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：功率放大器；寬頻帶；有耗匹配；ADS；LDMOS

0 引 言
    寬帶功率放大器的應(yīng)用開始從軍用向民用擴(kuò)展，目前在無線通信、移動電話、衛(wèi)星通信網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、直播衛(wèi)星接收(DBS)、ITS通信技術(shù)及毫米波自動防撞系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，在光傳輸系統(tǒng)中，寬帶功率放大器也同樣占有重要地位。
    在無線通信、電子戰(zhàn)、電磁兼容測試和科學(xué)研究等領(lǐng)域，對射頻和微波寬帶放大器有極大需求，且這些領(lǐng)域?qū)拵Х糯笃饕蟾鞑幌嗤?，特別是在通信系統(tǒng)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的應(yīng)用中，對寬帶低噪聲和功率放大器的性能指標(biāo)有特殊要求。在設(shè)計(jì)上傳統(tǒng)窄帶放大器的端口匹配，一般是按照低噪聲或者共扼匹配來設(shè)計(jì)的，以此獲得低噪聲放大器或者最大的輸出功率。但是，在寬帶的條件下，輸入／輸出阻抗變化是比較大的，此時使用共扼匹配的概念是不合適的。正因?yàn)槿绱?，寬帶放大器的匹配電路設(shè)計(jì)方法也與窄帶放大器有所不同，寬頻帶放大器電路結(jié)構(gòu)主要可以分為以下幾種：
    平衡式放大器；反饋式放大器；分布式放大器；有耗匹配式放大器；有源匹配式放大器；達(dá)靈頓對結(jié)構(gòu)。各種結(jié)構(gòu)都有各自的特點(diǎn)和適用的情況，在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體放大器的性能指標(biāo)要求進(jìn)行合理的選擇。

1 寬帶功率放大器的結(jié)構(gòu)與原理
1．1 寬帶功率放大器的指標(biāo)分析
    寬帶功率放大器的許多指標(biāo)和普通的功率放大器是一樣的，如飽和輸出功率、P1dB壓縮點(diǎn)、功率效率、互調(diào)失真、諧波失真、微波輻射等，但寬帶功率放大器也有特殊之處。
1．1．1 工作頻帶寬度
    工作頻帶通常指放大器滿足其全部性能指標(biāo)的連續(xù)工作頻率范圍。
1．1．2 增益平坦度與起伏斜率
    增益平坦度是指頻帶內(nèi)最高增益與最低的分貝數(shù)之差，多倍頻程放大器的增益平坦度一般是±1～±3 dB。在微波系統(tǒng)中有時候需要兩個以上的寬頻帶放大器級聯(lián)，級聯(lián)放大器的增益平坦度將變壞，這是由于前級放大器輸出駐波比與后級放大器輸入駐波比不一致造成的。尤其在寬頻帶內(nèi)，級間的反射相位有時迭加，有時抵消，增大了起伏，因此一般要在級聯(lián)放大器的級間加匹配衰減器。環(huán)境溫度、直流偏置電壓以及時間老化等因素對增益值影響較大，而對增益平坦度的影響較小。
1．1．3 駐波比與反射損耗
    寬頻帶放大器的駐波比指標(biāo)比窄頻帶放大器更難保證。倍頻程放大器可以達(dá)到VSWR<2，當(dāng)要求較高時，可以用鐵氧體隔離器改善駐波比。但是，在多倍頻程的情況下，無法獲得適用的超寬頻帶隔離器，所以駐波比不可能很好。
1．2 LDMOS
    Lateral Double diffusion MOS(LDMOS)采用雙擴(kuò)散技術(shù)，在同一窗口相繼進(jìn)行兩次硼磷擴(kuò)散，由兩次雜質(zhì)擴(kuò)散橫向結(jié)深之差可精確地決定溝道長度。溝道長度L可以做得很小，并且不受光刻精度的限制。由于LDMOS的短溝效應(yīng)，故跨導(dǎo)、漏極電流、工作頻率和速度都比一般MOSFET有了很大的提高；在射頻應(yīng)用方面，LDMOS有著更好的線性度、較大的線性增益、高的效率和較低的交叉調(diào)制失真。同時，LDMOS是基于成熟的硅工藝器件，比起其他的微波晶體管成本可以降低好幾倍。
1．3 有耗匹配式放大器的結(jié)構(gòu)
    有耗增益補(bǔ)償匹配網(wǎng)絡(luò)在增益、放射系數(shù)和帶寬之間可完成“重要”的折衷，而且，這種匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性也可改善放大器的穩(wěn)定性，減小它的尺寸和價格，因?yàn)橛泻钠ヅ潆娐返姆桨负唵巍Ｔ诤芏鄬?shí)際情況中，為了改善寬帶匹配——具有最小的增益波動和輸入反射系數(shù)，在晶體管輸入端并聯(lián)阻性元件是非常有效的。對較高頻率，使用感性電抗元件與電阻串聯(lián)比基本型具有額外的匹配改善。對于寬帶有耗匹配MOSFET高功率放大器，最好使用串聯(lián)集中參數(shù)電感，本設(shè)計(jì)使用的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在電阻上并聯(lián)一個電容可以在頻帶的高端提升功率增益。

1．4 寬帶阻抗匹配電路
    在利用有耗匹配網(wǎng)絡(luò)使增益平坦，同時解決穩(wěn)定問題后，就需要把管子的輸入和輸出阻抗匹配到50 Ω，這就要用到寬帶的阻抗匹配電路了。在設(shè)計(jì)輸入阻抗匹配電路時需要考慮穩(wěn)定、增益、增益平坦、輸入駐波比等，在輸出匹配電路設(shè)計(jì)時需要考慮諧波抑制、輸出駐波比、損耗等，在設(shè)計(jì)輸出匹配電路之前，要仔細(xì)分析是按最大功率輸出還是額度功率輸出來選擇輸出阻抗參數(shù)，以便于得到需要的輸出功率。在設(shè)計(jì)中，選擇微帶和電容組合的混合匹配電路，電路結(jié)構(gòu)為n個r型電路串聯(lián)而成。

2 寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)仿真及優(yōu)化
    項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)的功率放大器工作頻段為700～1100 MHz，增益大于30 dB，端口駐波比小于1．5，輸出功率大于33 dBm，增益平坦度為±1 dB。為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，采用兩級放大形式，前級放大器采用MMICPower Amplifier HMC481MP86，中間加入一個6 dB的電阻衰減器，末級采用飛思卡爾公司的LDMOS場效應(yīng)晶體管MW6S004N。
2．1 寬帶功率放大器的電路圖
    圖2中前級放大器MMIC Power AmpliFier HMC481MP86采用廠家提供的大信號S參數(shù)文件HMC481MP86 deembedded．s2p來代替仿真，末級采用飛思卡爾公司提供的LDMOS功率管模型，其輸入和輸出的阻抗值均由使用ADS的負(fù)載牽引法得到，在匹配時要全面考慮整個頻段內(nèi)各個頻率點(diǎn)處的阻抗值。

2．2 ADS仿真與優(yōu)化結(jié)果
    圖3(a)為S21的曲線，在輸入為0 dBm的情況下，功率增益有34 dB，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的增益大于30 dB；在輸出功率大于33 dBm，從圖3中的幾個點(diǎn)可以看出，增益平坦度在±1 dB；圖3(b)為穩(wěn)定性系數(shù)；圖3(c)為輸入駐波比；圖3(d)為輸出駐波比。

2．3 測試結(jié)果
    實(shí)物測調(diào)試，使用頻譜儀來測量功率，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來看整個頻率段的增益平坦度和輸入、輸出駐波比，并根據(jù)客戶要求在輸出端口后加入一個隔離器。在輸入信號功率為O dBm情況下，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

3 結(jié) 語
    寬帶功率放大器有著廣闊的應(yīng)用前景，設(shè)計(jì)要求也不同于一般的功率放大器，對阻抗匹配的要求也更加嚴(yán)格。文中通過采用有耗匹配網(wǎng)絡(luò)改善功率管的增益平坦度問題，使得阻抗匹配電路的結(jié)構(gòu)變得簡單。整個功率放大器的指標(biāo)均達(dá)到用戶的設(shè)計(jì)要求，已經(jīng)交付使用。