30～512MHz两级宽带功率放大器极间匹配设计

黎明林

摘 要：文章设计了一个极间匹配网络，使驱动级的输出阻抗直接匹配到末级放大器的输入阻抗。这种极间匹配网络提高了30～512 MHz宽带功率放大器的线性输出功率和效率，同时减少了极间匹配元件，简化了匹配网络，缩小了功率放大器的体积。这种极间匹配网络是通过宽带同轴巴伦、电容并含电阻组成的有损网络的匹配网络相结合实现的，应用ADS软件仿真优化了同轴电缆的长度和匹配电容的容值，使设计的极间匹配网络在5个倍频程的频带内获得较优性能。

关键词：功率放大器;宽带;极间匹配;同轴巴伦;ADS软件

0 引言

功率放大器作为现代电子微波系统的最末端，在迅猛发展的移动通信事业中越发凸显了其必不可少、不可替代的重要性。功率放大器发展至今，广泛应用在各类通信领域，诸如手机、雷达、电台、干扰机等无线通信系统。当前随着软件无线电技术的广泛运用，系统对功率放大器的带宽和输出功率提出了越来越高的要求，使得超宽带、大功率、高效率、高线性度的功率放大器应用前景极为广阔[1]。本文以实际项目中用于电台的功率放大器设计为实例，集中讨论了宽带功放极间匹配设计过程。主要设计指标要求为：（1）工作频段（Freq）为30～512 MHz;（2）输出功率（Pout）≥80 W;（3）效率（η）≥35%;（4）双音频率间隔200 kHz时，三阶互调失真 （IMD3）≤-28 dBc。针对这些指标要求，采用两级功放管级联，设计了输入、级间和输出匹配网络，制作了宽带功放，具备高输出功率、高线性度、高效率以及小型化等特点。

1    电路设计

一般情况下，针对多级功率放大器的设计方法是使每一级功率管输入、输出都匹配到50Ω，中间再加上一个π型网络，衰减部分射频信号以防止自激，最后级联组成多级放大器。这样输入、输出分别需要同轴巴伦来完成宽带匹配。这样的优势是每一级自成一体，方便调试，维修等也方便;同样的，其劣势也很明显，这样极大地限制了电路布局空间的小型化，同时级联时容易自激（一般选择添加π型电阻网络，衰减射频信号来解决自激），这样降低了放大器的输出功率和效率。本两级宽带功率放大器设计在传统的宽带匹配电路基础上，保留驱动级功率管的输入匹配电路和末级功率管输出匹配电路，在驱动级功率管的输出处和末級功率管的输入处设计两级功放极间匹配所需要的阻抗变换。通过使用同轴巴伦所用同轴电缆的阻抗和铁氧体磁芯，结合集总元件使这种极间匹配努力在全频带内实现最佳匹配。

横向扩散金属氧化物半导体场效应管（LDMOS）作为一种性价比很高的器件，自20世纪80年代应用以来一直在通信系统的固态功放中起着主导作用。随着它向高频率、大功率和宽带的方向发展，凭借其在线性、增益、成本、可靠性等方面的优良性能，逐步的替代了BJT管和VDMOS管。根据这些特点，驱动级功放管选SEMELAB的功放管D1016UK，末级功放管选原恩智浦（现埃赋隆）公司的功放管BLF647P，都采用24 V供电，增益分别为13 dB和22 dB，具有高增益特性，稳定性较高。两级功放管为推挽结构，工作类型设计为线性度较好的AB类。推挽结构的场效应晶体管输入阻抗高、线性好，其热稳定性、抗失配能力和可靠性都有优势，且器件内180°相位差虚拟地降低了共模电感，增加了稳定性和工作带宽，还能抑制偶次谐波[2]。

IMD3是功率放大器的线性指标表示方式之一。本设计采用了功率回退法来保证线性指标。功率回退，即要求功率放大器要达到比设计需求大得多的功率，通过回退到设计需求的功率，以满足线性化要求。回退法要求驱动级放大器的线性指标要比末级更好。回退法的不足是效率低、输出功率受线性度要求制约明显。在效率要求越来越高的情况下，为了提高效率，希望在满足线性度指标的同时，让末级尽量饱和工作，使驱动级承担更多的线性指标。因此，需要将驱动级的IMD3设计得很低。驱动级优于末级的IMD3越大，则级联放大器的交调系数恶化越小，其线性越高。这对我们选择级联放大器的驱动级管子具有很高的参考价值。假设两级放大器的IMD3之差的绝对值为A，即A=d1-d2（d1，d2分别为驱动级和末级的IMD3），则驱动级的IMD3对末级的IMD3的影响值B（末级交调恶化值）可用下式来表示：

随频率的变化，每提高一个倍频程，功率管增益下降6dB，且频率越低，输入、输出阻抗越高，越难实现宽带匹配。为实现多个倍频程的宽带匹配，基于对输出功率、增益、效率等的考虑，运用同轴巴伦宽带匹配技术，采用同轴巴伦对功率管进行匹配，同时在同轴巴伦上使用磁性材料以扩展其工作带宽，并且采用有损网络匹配兼顾低端功率。为了实现D1016UK的输出阻抗到BLF647P输入阻抗的匹配，应用一个4∶1平衡-非平衡的同轴巴伦，其中同轴电缆选用的MICRO-COAX公司的UT-034C-10，其外径约0.86 mm，内径约0.51 mm，阻抗为10 Ω，电缆的长度小于最高频率的1/8波长（f为512MHz，λ/8约为50 mm）。为了兼顾低端，选用了铁氧体磁芯来增大磁通量以补偿低端。磁芯选用FAIR-RITE公司的双孔磁芯2861002402，其磁导率μ为125。将同轴电缆穿过双孔磁芯构成4∶1的同轴巴伦。同时考虑到级联的稳定性，级间匹配前增加了12个1 206封装的150 Ω电阻组成有损网络。级联匹配原理如图1所示。

随着频率升高，功率管的阻抗进一步减小，这时单纯由4∶1的同轴巴伦已经难以完成全频段的极间匹配。为满足设计的要求，因此还需使用高Q射频电容使匹配网络实现全频段匹配。使用ADS软件对同轴巴伦和电容参数值进行仿真并优化，获得相应的理想参数。同轴巴伦和电容参数仿真，如图2所示。

2 测试结果

根据以上设计和仿真结果，使用2 mm厚的FR4板材，加工双面PCB。为了便于功放的散热，背面不要阻焊层，用螺钉将两级功放管和PCB都固定在紫铜做的散热器上，使功放管充分散热。研制的功放实物如图3所示，实测结果如表1所示。

实测功放输出功率为49.1～50.3 dBm（81～105 W），功率增益33.8～32.3 dB，功率附加效率大于40%，输出峰值功率80 W时，IMD3抑制的测试值大于28 dBc。满足设计指标要求，完成宽带功率放大器研制。

3 结语

本文设计的两级宽带功率放大器，采用宽带同轴巴伦、电容并含电阻组成的有损网络的匹配形式，同时利用ADS软件仿真优化了同轴电缆的长度和匹配电容的容值，在实际调试中只需要进行微小的改动，便能满足设计需求。这种极间匹配减小了功率放大器的布局空间，为电台的小型化创造了良好的条件。

[参考文献]

[1]张海燕，丛键.一种新型SCA电台的分析与设计[J].通信技术，2012（9）：21-24.

[2]GREBENNIKOV A.RF and microwave power amplifier design[M].New York： The McGraw-Hill  Companies，2005.

（编辑 王永超）