寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)

摘要：介紹一個(gè)兩級(jí)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(jí)放大器采用MMICPower Amplifier HMC481MP86，末級(jí)采用飛思卡爾公司的LDMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管MW6S004N。飛思卡爾公司提供的datasheet中沒(méi)有包含在設(shè)計(jì)所要求的頻段和功率輸出值時(shí)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(chǎng)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(duì)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(kāi)始從軍用向民用擴(kuò)展，目前在無(wú)線通信、移動(dòng)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(dòng)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(wú)線通信、電子戰(zhàn)、電磁兼容測(cè)試和科學(xué)研究等領(lǐng)域，對(duì)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(duì)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(lái)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(shí)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(duì)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(shí)候需要兩個(gè)以上的寬頻帶放大器級(jí)聯(lián)，級(jí)聯(lián)放大器的增益平坦度將變壞，這是由于前級(jí)放大器輸出駐波比與后級(jí)放大器輸入駐波比不一致造成的。尤其在寬頻帶內(nèi)，級(jí)間的反射相位有時(shí)迭加，有時(shí)抵消，增大了起伏，因此一般要在級(jí)聯(lián)放大器的級(jí)間加匹配衰減器。環(huán)境溫度、直流偏置電壓以及時(shí)間老化等因素對(duì)增益值影響較大，而對(duì)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(shí)，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(wú)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(zhǎng)度。溝道長(zhǎng)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(shí)，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(jià)格，因?yàn)橛泻钠ヅ潆娐返姆桨负?jiǎn)單。在很多實(shí)際情況中，為了改善寬帶匹配——具有最小的增益波動(dòng)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(duì)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(duì)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(gè)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[!--empirenews.page--]
    在利用有耗匹配網(wǎng)絡(luò)使增益平坦，同時(shí)解決穩(wěn)定問(wèn)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(shí)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(shí)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(lái)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(gè)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(jí)放大形式，前級(jí)放大器采用MMICPower Amplifier HMC481MP86，中間加入一個(gè)6 dB的電阻衰減器，末級(jí)采用飛思卡爾公司的LDMOS場(chǎng)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(jí)放大器MMIC Power AmpliFier HMC481MP86采用廠家提供的大信號(hào)S參數(shù)文件HMC481MP86 deembedded．s2p來(lái)代替仿真，末級(jí)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(shí)要全面考慮整個(gè)頻段內(nèi)各個(gè)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(gè)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(cè)試結(jié)果
    實(shí)物測(cè)調(diào)試，使用頻譜儀來(lái)測(cè)量功率，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)看整個(gè)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(gè)隔離器。在輸入信號(hào)功率為O dBm情況下，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

3 結(jié) 語(yǔ)
    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(duì)阻抗匹配的要求也更加嚴(yán)格。文中通過(guò)采用有耗匹配網(wǎng)絡(luò)改善功率管的增益平坦度問(wèn)題，使得阻抗匹配電路的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單。整個(gè)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。