寬帶功率放大器的設計

寬帶功率放大器的設計龔敏強瀏光祜【摘要】介紹一個兩級2W的寬帶功率放大器設計，頻率范圍從700MHz~1.1GHz.前級放大器采用MMICPowerAmplifierHMC481MP86,末級采用飛思卡爾公司的LDMOS場效應晶體管MW6S004N.飛思卡爾公司提供的datasheet中沒有包含在設計所要求的頻段和功率輸出值時相應的輸入和輸出阻抗值.為了正確匹配采用ADS的負載牽引法得到LDMOS場效應晶體管MW6S004N的輸入和輸出阻抗值，然后使用有耗匹配式放大器的拓撲結(jié)構(gòu)進行實際設計，并使用ADS對設計的放大器進行仿真和優(yōu)化.【期刊名稱】《現(xiàn)代電子技術》【年(卷)，期】2009(032)011【總頁數(shù)】3頁(P104-106)【關鍵詞】功率放大器;寬頻帶;有耗匹配;ADS;LDMOS【作者】龔敏強瀏光祜【作者單位】電子科技大學，電子工程學院，四川，成都,610054;電子科技大學，電子工程學院，四川，成都,610054【正文語種】中文【中圖分類】TN72寬帶功率放大器的應用開始從軍用向民用擴展，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通信技術及毫米波自動防撞系統(tǒng)等領域有著廣闊的應用前景，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研究等領域，對射頻和微波寬帶放大器有極大需求，且這些領域?qū)拵Х糯笃饕蟾鞑幌嗤貏e是在通信系統(tǒng)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的應用中，對寬帶低噪聲和功率放大器的性能指標有特殊要求。在設計上傳統(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計的，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。正因為如此，寬帶放大器的匹配電路設計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［1］：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；達靈頓對結(jié)構(gòu)。各種結(jié)構(gòu)都有各自的特點和適用的情況，在設計中應當根據(jù)具體放大器的性能指標要求進行合理的選擇。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分析寬帶功率放大器的許多指標和普通的功率放大器是一樣的，如飽和輸出功率、P1dB壓縮點、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~±3dB。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比窄頻帶放大器更難保證。倍頻程放大器可以達到VSWR<2，當要求較高時，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］。LDMOSLateralDoublediffusionMOS(LDMOS)采用雙擴散技術，在同一窗口相繼進行兩次硼磷擴散，由兩次雜質(zhì)擴散橫向結(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，故跨導、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［2,3］。1.3有耗匹配式放大器的結(jié)構(gòu)有耗增益補償匹配網(wǎng)絡在增益、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，因為有耗匹配電路的方案簡單。在很多實際情況中，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，本設計使用的結(jié)構(gòu)如圖1所示［4］。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。圖1有耗匹配網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)1.4寬帶阻抗匹配電路在利用有耗匹配網(wǎng)絡使增益平坦，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50Q,這就要用到寬帶的阻抗匹配電路了。在設計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，在輸出匹配電路設計時需要考慮諧波抑制、輸出駐波比、損耗等，在設計輸出匹配電路之前，要仔細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［5］。在設計中，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「型電路串聯(lián)而成［6,7］。2寬帶功率放大器的設計仿真及優(yōu)化項目要求設計的功率放大器工作頻段為700~1100MHz，增益大于30dB，端口駐波比小于1.5，輸出功率大于33dBm，增益平坦度為±1dB。為了達到設計要求，采用兩級放大形式，前級放大器采用MMICPowerAmplifierHMC481MP86,中間加入一個6dB的電阻衰減器，末級采用飛思卡爾公司的LDMOS場效應晶體管MW6S004N。2.1寬帶功率放大器的電路圖圖2中前級放大器MMICPowerAmplifierHMC481MP86采用廠家提供的大信號S參數(shù)文件HMC481MP86deembedded.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［8］,其輸入和輸出的阻抗值均由使用ADS的負載牽引法得到［9,10］,在匹配時要全面考慮整個頻段內(nèi)各個頻率點處的阻抗值。圖2功率放大器的電路結(jié)構(gòu)ADS仿真與優(yōu)化結(jié)果圖3(a)為S21的曲線，在輸入為0dBm的情況下，功率增益有34dB，達到設計要求的增益大于30dB；在輸出功率大于33dBm，從圖3中的幾個點可以看出，增益平坦度在±1dB；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)果實物測調(diào)試，使用頻譜儀來測量功率，使用網(wǎng)絡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0dBm情況下，測試數(shù)據(jù)如表1所示。圖3電路仿真結(jié)果表1測試結(jié)果頻率/MHz功率輸出/dBm輸入駐波比輸出駐波比700750800900105011003結(jié)語寬帶功率放大器有著廣闊的應用前景，設計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格。文中通過采用有耗匹配網(wǎng)絡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均達到用戶的設計要求，已經(jīng)交付使用。參考文獻歐兵.225~450MHz寬帶線性功率放大器的研制[D].成都:電子科技大學,2003.MarkP,JohnR,Gajadharsing.TheoryandDesignofanUltra-LinearSquare-LawApproximatedLDMOSPowerAmplifierinClassABOperation[J].IEEE.Trans.onMicrowaveTheoryandTechiques,2002,50(9):2176-2180.BurgerW,R,AgyekumE,AyoolaO,etal.RF-LDMOS:ASilicon-based,HighPower,HighEfficiencyLinearPMAmpliferTechnology[Z].[美]AndreiGrebennikov.射頻與微波功率放大器設計[M].張玉興，趙宏飛，譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006.楊萬群.L波段寬帶功率放大器研究[D].成都:電子科技大學,2005.李輝,陳效鍵.匹配電路諧波特性對功率放大器性能的影響[J].固體電子學研究與進展,2002,22(1):45-48.眭玉龍，張洪.微帶技術在高頻大功率放大器中的運用[J].廣播與電視技術,2001,28(6):115-119.FreescaleseMiconductorlnC.FreescalesemiconductorMetldMOSMod