一種小型化超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)

安士全，郭本青，張 瑞

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230031；2.電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，成都 610054）

一種小型化超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)

安士全1，郭本青2，張 瑞1

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230031；2.電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，成都 610054）

針對(duì)超寬帶（0.6 GHz～2.2 GHz）高效率功率放大器的設(shè)計(jì)要求，選用CREE公司GaN器件CGH40045，在ADS仿真軟件中采用Load+Pull技術(shù)確定最佳輸入輸出阻抗，利用基于集總元件和微帶線分布參數(shù)元件的方法進(jìn)行輸入輸出阻抗的寬帶匹配。設(shè)計(jì)完成后，對(duì)電路進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，在輸入為34 dBm，工作電壓為28 V時(shí)，0.6 GHz～2.2 GHz頻率范圍內(nèi)漏極效率優(yōu)于50%，輸出功率高于45 dBm，帶內(nèi)增益波動(dòng)小于1.2 dB，驗(yàn)證了此方法的有效性。

功率放大器；寬帶；高效率；負(fù)載牽引

0 引 言

微波功率放大器在雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、衛(wèi)星、電子對(duì)抗設(shè)備等系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，對(duì)這些電子系統(tǒng)的性能要求不斷提高。作為電子設(shè)備的關(guān)鍵元件之一，功率放大器直接影響著包括工作帶寬在內(nèi)的整個(gè)射頻系統(tǒng)的性能指標(biāo)。因此，小型化寬帶高效放大器的設(shè)計(jì)一直是微波功率放大器的研究熱點(diǎn)［1－2］。

設(shè)計(jì)了一種基于負(fù)載牽引技術(shù)的混合匹配網(wǎng)絡(luò)的寬帶高效功率放大器。

1 設(shè)計(jì)方法

微波功率放大器的輸入輸出阻抗等許多參數(shù)與頻率相關(guān)，很大程度地限制了其頻帶寬度。尤其在較高頻率時(shí)，它的內(nèi)部反饋及寄生參量影響很大，晶體管特性會(huì)在較寬的頻率范圍內(nèi)有較大變化，通過(guò)負(fù)載牽引法得到的高效率最佳源阻抗與負(fù)載阻抗也會(huì)隨頻率變化。實(shí)現(xiàn)寬帶高效功放的一種最直接思路是設(shè)計(jì)出的匹配網(wǎng)絡(luò)所呈現(xiàn)的阻抗能夠順應(yīng)這種變化趨勢(shì)，以得到每個(gè)頻點(diǎn)的最高效率［3－6］；然而滿足相應(yīng)要求的匹配網(wǎng)絡(luò)一般難于實(shí)現(xiàn)。另一種思路則是選擇一組源阻抗與負(fù)載阻抗值作為實(shí)現(xiàn)寬帶高效的最佳匹配點(diǎn)，使在這組阻抗條件下，功放在所關(guān)注的頻段內(nèi)均達(dá)到較高效率。這樣，設(shè)計(jì)難點(diǎn)就轉(zhuǎn)化為寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，即設(shè)計(jì)的輸入輸出網(wǎng)絡(luò)在工作帶寬內(nèi)均要表現(xiàn)出最佳匹配點(diǎn)的值［7－8］。

1.1 最佳輸入輸出阻抗的選擇

設(shè)計(jì)0.6 GHz～2.2 GHz高效率功放的第一步就是找到最佳源阻抗與負(fù)載阻抗?；贑REE公司提供的GaN HEMT CGH40045大信號(hào)模型，在ADS環(huán)境中進(jìn)行源牽引與負(fù)載牽引，在整個(gè)頻段內(nèi)選擇0.6，1.0，1.4，1.8，2.2 GHz進(jìn)行源牽引與負(fù)載牽引，通過(guò)多次迭代找到最佳的輸入輸出阻抗，并用曲線標(biāo)示出其在整個(gè)帶寬內(nèi)的變化趨勢(shì)。根據(jù)寬帶匹配電路保高放低的原則，選擇靠近這條曲線中段偏高頻的某點(diǎn)作為最佳負(fù)載匹配點(diǎn)能夠在0.6 GH～2.2 GHz內(nèi)較好地達(dá)到效率、帶寬折中的目的。另外，最佳負(fù)載匹配點(diǎn)也應(yīng)使得工作帶寬內(nèi)的最佳源阻抗相對(duì)集中，最終選定在1.8 GHz處的最佳負(fù)載阻抗6.5Ω和源阻抗（5－j*2Ω），分別如圖1所示。

圖1 1.8 GHz時(shí)負(fù)載牽引（左）與源牽引（右）下的功率效率曲線

在選定的負(fù)載和源阻抗進(jìn)行功率和效率的仿真測(cè)試，分別給出了設(shè)定為最佳匹配點(diǎn)時(shí)功放在0.6 GH～2.2 GHz范圍內(nèi)幾個(gè)頻點(diǎn)的功率附加效率及輸出功率，見(jiàn)表1。由數(shù)據(jù)可見(jiàn)該阻抗是比較理想的。

表1 最佳負(fù)載／源阻抗下頻帶內(nèi)5個(gè)頻點(diǎn)的功率和效率仿真值

1.2 匹配電路設(shè)計(jì)

在微波功率放大器的匹配電路設(shè)計(jì)中可以選擇集總元件，也可以選擇分布參數(shù)的微帶線。一般而言，集總元件在S波段及S波段以下頻段較為常見(jiàn)，隨著頻率的升高，集總元件的寄生參量將使其特性發(fā)生很大變化。因此，在S波段以上頻段多采用分布參數(shù)匹配。為了充分發(fā)揮集總和分布元件各自的優(yōu)勢(shì)，本電路采用二者混合的方式進(jìn)行匹配［9－10］。

利用ADS中的smith chart工具可以很方便的進(jìn)行集總元件與微帶的混合匹配設(shè)計(jì)，低阻的微帶實(shí)現(xiàn)實(shí)部阻抗匹配，并聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)消除復(fù)阻抗的虛部。為保證電路的寬帶性能，匹配電路需要多級(jí)匹配以保證低Q值，利用圓圖工具進(jìn)行的輸入匹配和生成的理想器件電路，如圖2所示。

圖2 利用sm ith chart進(jìn)行輸入阻抗匹配及生成的理想器件電路示意圖

1.3 整體電路優(yōu)化

在對(duì)輸入輸出電路匹配好后需要進(jìn)行整體仿真，綜合考慮功率放大器的功率、效率、穩(wěn)定性等，對(duì)電路進(jìn)行微調(diào)。利用諧波仿真器對(duì)電路進(jìn)行整體仿真的結(jié)果如圖4所示，在輸入33 dBm時(shí)，0.6～2.2 GHz頻帶內(nèi)增益起伏小于1.2 dB，輸出功率大于30 W，功率附加效率大于45%，穩(wěn)定性測(cè)試顯示電路處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。仿真結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

圖3 整體仿真電路圖

圖4 輸出功率（左）與附加效率（右）隨頻率的仿真結(jié)果

2 測(cè)試結(jié)果與分析

在完成電路的ADS仿真，進(jìn)行投產(chǎn)加工并進(jìn)行測(cè)試?？紤]到小型化和加工精度的要求，介質(zhì)板材選用Rogers公司的RT6006，介電常數(shù)為6.15，厚度0.635 mm。電路的實(shí)物圖，如圖6所示，實(shí)際電路尺寸55 mm×30 mm。

在漏壓28 V，柵壓－2.3 V，靜態(tài)電流100 mA狀態(tài)下，對(duì)電路進(jìn)行了簡(jiǎn)單的調(diào)試，由于輸入功率33 dBm還沒(méi)有完全飽和，因此對(duì)輸入功率33 dBm和34 dBm分別對(duì)功率放大器進(jìn)行了測(cè)試，如圖7是在0.6～2.2 GHz的頻率范圍內(nèi)輸出功率隨輸入功率的曲線，整個(gè)頻段內(nèi)輸出功率都在45 dBm以上，增益大于11 dB。圖8是經(jīng)計(jì)算各頻點(diǎn)的漏極效率曲線，由圖可以看出，輸入功率34 dBm時(shí)，在0.6～2.2 GHz的設(shè)計(jì)頻段內(nèi)漏極效率大于50%，滿足指標(biāo)需求。

圖5 穩(wěn)定性仿真結(jié)果

圖6 小型化寬帶高效功率放大器實(shí)物圖

圖7 輸出功率曲線

圖8 漏極效率與頻率間的曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一款小型化超寬帶功率放大器，經(jīng)測(cè)試在0.6～2.2 GHz頻帶內(nèi)輸出功率大于30 W，起伏小于1.2 dB，漏極效率大于50%，電路尺寸55 mm× 30 mm。該功率放大器可用于雷達(dá)、電子對(duì)抗等系統(tǒng)中用作寬帶高效放大器。

［1］董磊，何松柏，雷奇.基于帶通匹配網(wǎng)絡(luò)理論的寬帶高效率功放設(shè)計(jì)［J］.信息與電子工程，2011，9（4）：449+452.

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安士全（1977—），山東新泰人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樯漕l前端；

E+mail：anshiquan＠126.com；

郭本青（1977—），河南新鄉(xiāng)人，電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院特聘副研究員，研究方向?yàn)樯漕l模擬集成電路；

張 瑞（1977—），高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樯漕l前端。

Design of a M iniature Ultra W ideband Power Am plifier

AN Shi+quan1，GUO Ben+qing2，ZHANG Rui1
（1.The 38th Research Institute of CETC，Anhui Hefei230031，China；2.School of Communication＆Information Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China）

Concerning the design goal of a highly efficient power amplifier working across 0.6 GHz～2.2 GHz，the GaN transistor CGH40045 of CREE Company is selected.The optimal input and output impedance is calculated with the help of Load+Pull technology in software ADS，realizing broadband matching with integrative devices and distributed components.Simulation is performed and produced based on themethodology.Themeasurement results indicate thatwithin 0.6 GHz～2.2 GHz，Drain Effi+ ciency excels 50%，Delivered Power is higher than 45 dBm and Gain Ripple is less than 1.2 dB as the drain bias and power drive sets to 28 V and 34 dBm respectively.These research datawell verified the ef+ fectiveness of themethodology.

power amplifier；broadband；high efficiency；load+pull

TG722.1

：A

：1673+5692（2014）06+639+04

10.3969／j.issn.1673+5692.2014.06.017

2014+09+18

2014+09+26