低電壓高效率微波功率放大器研究與設(shè)計(jì)

摘要 介紹了一種應(yīng)用于低電壓的微波雙極性晶體管放大器的電路設(shè)計(jì)方法。通過(guò)分析微波晶體管的模型，比較了小信號(hào)法、負(fù)載牽引法和文中使用匹配方法對(duì)輸出功率、效率和線性度的影響。文中設(shè)計(jì)了一款可以用于GSM通信終端發(fā)射的功率放大器，并對(duì)采用3種不同匹配方式進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果表明，文中所用方法輸出功率和效率較高、線性度較好。
關(guān)鍵詞 功率放大器；高效率；低電壓；雙極性晶體管

    功率放大器設(shè)計(jì)的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。按照其工作狀態(tài)一般可以分為A、B、C類，以及類似于開關(guān)工作狀態(tài)的D、E、F類等?；蚋鶕?jù)放大器輸出功率的大小，將放大器設(shè)計(jì)分為小信號(hào)設(shè)計(jì)和大信號(hào)設(shè)計(jì)。利用諧波平衡負(fù)載牽引法進(jìn)行非線性電路設(shè)計(jì)，是目前較為有效的一種方法。該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用到大信號(hào)器件特性的提取以及非線性電路設(shè)計(jì)中。
    但是，對(duì)于工作在低電壓的微波放大器設(shè)計(jì)，如何更好地通過(guò)匹配電路提高效率和線性度卻少有報(bào)道。小信號(hào)法在小信號(hào)時(shí)效果較好，不適用于大信號(hào)分析。負(fù)載牽引法輸出功率和效率都較好，但線性度較差。文中結(jié)合小信號(hào)法和負(fù)載牽引法的各自特點(diǎn)，提出輸入匹配電路采用小信號(hào)匹配法，輸出匹配電路采用負(fù)載牽引法，得到較好的性能。

1 工作原理
    小信號(hào)法又稱增益匹配法，放大器工作在線性狀態(tài)下，給定放大器的增益，在Smith圓圖中，做出輸入輸出的增益圓，得出增益點(diǎn)的源和負(fù)載反射系數(shù)，然后根據(jù)源和負(fù)載反射系數(shù)做出輸入輸出匹配電路。
    隨著輸入功率的增加，放大器進(jìn)入非線性區(qū)域，產(chǎn)生一系列失真，按照小信號(hào)法的分析結(jié)果不再適用于大信號(hào)狀態(tài)。
    諧波平衡負(fù)載牽引法是通過(guò)不斷改變晶體管負(fù)載阻抗，測(cè)試功放的輸出功率和效率。在最大輸出功率和最大效率之間取一個(gè)阻抗值作為輸出阻抗。同理，改變?cè)醋杩?，在最大輸出功率和最大效率之間取一個(gè)值作為輸入阻抗。
    由于諧波平衡負(fù)載牽引法是按照輸出功率和效率設(shè)計(jì)匹配電路，所以其小信號(hào)時(shí)的增益一般不如小信號(hào)法高，而且線性度較差。根據(jù)小信號(hào)法增益高、諧波平衡負(fù)載牽引法輸出功率和效率高的特點(diǎn)，文中輸入端采用小信號(hào)法匹配，輸出端采用諧波平衡負(fù)載牽引法匹配設(shè)計(jì)了一款可以用于GSM通信終端發(fā)射的功率放大器，并對(duì)采用3種不同情況的輸出功率、效率、線性度進(jìn)行了比較。

2 放大器設(shè)計(jì)
    文中選用NEC公司的NE662M04 NPN晶體管，靜態(tài)工作點(diǎn)為：工作電壓2V，基極電為300μA時(shí)，工作電流20mA。
2．1 小信號(hào)法
    用安捷倫公司ADS設(shè)計(jì)軟件，采用小信號(hào)分析方法，得出最大增益為17．384dB。輸入輸出增益圓如圖1，圖2所示。輸入阻抗5．858+ j2．288 Ω，輸出阻抗43．404+j52．364Ω。輸入功率為0 dBm時(shí)，輸出功率為12．76 dBm，效率為23．57％，如圖5和圖6所示。

2．2 負(fù)載牽引法
    首先通過(guò)負(fù)載牽引法，等輸出功率圓如圖3所示。輸出功率最大點(diǎn)的輸出阻抗為35．858+j52．288Ω。將放大器的負(fù)載阻抗設(shè)為該值，再使用源牽引法，等輸出功率圓如圖4所示。最大輸出功率點(diǎn)的輸入阻抗為7．258+j2．689 Ω。輸入功率為0 dBm時(shí)，輸出功率為15．58 dBm，效率為47．68％，帶外功率抑制比為-39 dBe(偏離中心頻率60MHz處)。如圖5～圖7所示。

2．3 小信號(hào)法和負(fù)載牽引法相結(jié)合
    輸入端采用小信號(hào)匹配法，得到和圖1一樣的等增益圓，輸人阻抗為5．858+j2．288Ω。輸出端用負(fù)載牽引法得到輸出阻抗為53．46l+ j62．314Ω。當(dāng)輸入功率為0 dBm時(shí)，輸出功率為15．43 dBm，效率為50．34％，帶外功率抑制比為-43．2 dBe。如圖5～圖7所示。

    比較圖5～圖7可以看出，當(dāng)工作在大信號(hào)時(shí)，文中所用方法和負(fù)載牽引法相比：輸出功率相近、工作效率高、鄰信道功率抑制比好。

3 結(jié)束語(yǔ)
    針對(duì)工作在低電壓狀態(tài)的微波放大器，對(duì)小信號(hào)匹配法和負(fù)載牽引進(jìn)行了分析，并結(jié)合兩種方法的各自特點(diǎn)，提出輸入匹配采用小信號(hào)法，輸出匹配采用負(fù)載牽引法。并將這3種匹配方法進(jìn)行比較，設(shè)計(jì)了一款低電壓功率放大器，仿真實(shí)驗(yàn)證明，文中所用方法輸出功率和效率較高、線性度較好。