竇建華， 蘇 州， 楊學志， 吳永忠

（合肥工業(yè)大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230009）

射頻功率放大器是無線發(fā)射機的重要部件，多載波廣播發(fā)射系統(tǒng)要求功率放大器具有足夠的增益、帶寬和較高的線性度。前饋線性化技術(shù)可以在不損失電路增益和帶寬的前提下抑制主功放產(chǎn)生的非線性失真［1］，其前饋技術(shù)原理如圖1所示。系統(tǒng)中，主功率放大器除了需要具備較高的增益和效率外，還要研究前饋環(huán)路中幅值和相位的匹配問題。

在現(xiàn)代射頻功率放大器設(shè)計中，利用廠家給出的晶體管大信號模型，在ADS軟件下作負載牽引仿真，得到最優(yōu)輸入輸出阻抗，不必搭建復(fù)雜且嚴格的負載牽引系統(tǒng)。但是功率放大器工作在大信號狀態(tài)下時，輸入阻抗和輸出阻抗變換范圍很大，寬帶功放的匹配網(wǎng)絡(luò)不能使用傳統(tǒng)的LC匹配電路。實際功放管的源阻抗和負載阻抗中具有電抗的成分，所以匹配電路中應(yīng)包含2個部分，分別為抵消阻抗的虛部和對實部進行變換。當實部的變換比例較大時，可以使用傳輸線變壓器實現(xiàn)寬帶阻抗變換。

圖1 前饋系統(tǒng)原理

本文利用大信號非線性模型與負載牽引仿真，確定最優(yōu)負載阻抗與源阻抗，使用同軸線結(jié)構(gòu)的傳輸線變壓器與集總參數(shù)元件實現(xiàn)匹配電路，設(shè)計了多載波前饋系統(tǒng)中的主功率放大器。

1 傳輸線變壓器

傳統(tǒng)的磁耦合變壓器結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)高頻頻段的任意阻抗比變換，但是功率容量受鐵氧體磁芯材料限制，并且繞組間的寄生電容和漏電感對變壓器的高頻性能影響較大，限制了其帶寬。而傳輸線變壓器中功率傳輸以傳輸線模式進行，因此功率容量取決于傳輸線而不是磁芯，可實現(xiàn)若干個倍頻程內(nèi)的阻抗變換。

常用的傳輸線變壓器結(jié)構(gòu)有平行線、同軸線和雙絞線結(jié)構(gòu)，本設(shè)計使用同軸線結(jié)構(gòu)的傳輸線變壓器實現(xiàn)甚高頻段的大功率寬帶阻抗匹配。同軸線的結(jié)構(gòu)與等效圖如圖2所示，其中aa′為同軸線內(nèi)導體，bb′為同軸線外導體。信號在同軸線中傳輸時，內(nèi)外導體中的電流幅度相等，相位相反；內(nèi)外導體上電壓幅度和相位均相等。傳輸線按照不同的結(jié)構(gòu)連接，可以實現(xiàn)特定阻抗比的傳輸線變壓器［2］。本設(shè)計使用圖3所示的4∶1同軸線巴倫，實現(xiàn)了非平衡端到平衡端4∶1的阻抗變換。

圖2 同軸線的結(jié)構(gòu)與等效圖

圖3 4∶1同軸線巴倫

傳輸線變壓器的低頻特性主要依賴于同軸線外導體的等效電感，高頻特性取決于同軸線的長度。此外，同軸線的特征阻抗最優(yōu)值應(yīng)為阻抗變換器兩端阻抗的幾何平均值，即，但實際應(yīng)用的同軸線特征阻抗基本為50Ω或75Ω，使用非最佳傳輸線特征阻抗會引起低頻帶寬減小，可以在輸入匹配端的阻抗變換器上添加鐵氧體來彌補［3］。4∶1阻抗變換器的插入損耗為［4］：

其中，Z0為同軸線的特征阻抗；ZL為阻抗變換器低阻抗端的阻抗；l與β分別為同軸線的長度與相位常數(shù)，插入損耗與同軸線長度的關(guān)系如圖4所示。由圖4可以看出，同軸線長度不宜超過最高工作頻率處波長的1／8。

圖4 插入損耗與同軸線長度的關(guān)系

2 功率放大器的設(shè)計與分析

2.1 器件選擇與直流偏置

為了達到較高的增益，功放管選用Freescale公司的增強型LDMOS功率場效應(yīng)管MRF6VP2600H，工作頻率為10～250MHz，P1dB為53.3dBm，功率增益G1dB為25.3dB。

功率放大器的工作狀態(tài)對線性特性的影響較大，當柵源偏置電壓與夾斷電壓接近時，功率放大器工作在高效率模式下，線性度很差。因此，為了兼顧效率與線性的關(guān)系，本設(shè)計采用推挽結(jié)構(gòu)并使功放管工作在AB類狀態(tài)，可使三階互調(diào)失真改善10dB以上［5］。

2.2 負載牽引仿真

負載牽引仿真是使用軟件對功放管的大信號非線性模型，計算出輸出功率隨負載阻抗的變化曲線。在直流偏置確定的前提下，對特定的測量頻率和功率，計算出對應(yīng)的復(fù)阻抗，這些阻抗在Smith阻抗圓內(nèi)構(gòu)成一個封閉曲線，不同的測量功率對應(yīng)不同的曲線，從而得到一系列負載阻抗曲線。圖5所示為利用ADS軟件得到的負載牽引仿真結(jié)果，細線表示等輸出功率圓，隨著測量功率的增加，曲線收縮到輸出阻抗為13＋j17.8的點，該阻抗即是功率放大器輸出最大功率所需要的最佳負載阻抗，圖5中的粗線表示等附加效率圓。

圖5 負載牽引仿真結(jié)果

根據(jù)已確定的輸出阻抗，對功放管做源牽引仿真，得到最佳輸入阻抗，然后根據(jù)最佳輸出阻抗和輸入阻抗設(shè)計匹配電路［6］。

2.3 匹配電路

采用同軸線結(jié)構(gòu)的匹配電路，如圖6所示。

圖6 同軸阻抗變換器實現(xiàn)的匹配網(wǎng)絡(luò)

對窄帶大信號狀態(tài)下功放管做負載牽引仿真，得到最佳阻抗是Smith圓圖上的一個點，但是寬帶功放則對應(yīng)Smith圓圖上的一個區(qū)域，輸入輸出阻抗在幾歐姆至十幾歐姆范圍內(nèi)變化。通過設(shè)計同軸線的電長度，使之在低頻處與功放管的輸入輸出阻抗匹配。頻率升高時，并聯(lián)電容和同軸線外導體的等效電感構(gòu)成π型匹配網(wǎng)絡(luò)，使高頻阻抗降低，從而在高頻率處與器件相匹配［7－8］。

在實際電路的制作過程中，輸入端的傳輸線變壓器增加了鐵氧體，以改善傳輸線變壓器的低頻特性。而輸出端由于功率較大，鐵氧體造成的功率損失也大，不使用鐵氧體。此外，匹配電路中的電感選用高Q值的空心電感，以減小匹配電路的損耗。

2.4 保護電路

保護電路是射頻功放系統(tǒng)必不可少的一部分，過流保護電路采用高壓側(cè)電流檢測放大器LTC6101，將電流在檢測電阻上產(chǎn)生的小差分信號放大，輸出電壓信號經(jīng)A／D采樣到控制器，控制功放的工作狀態(tài)。駐波保護電路［9］使用雙向定向耦合器IPP8045和雙通道真有效值對數(shù)檢波管AD8364，實現(xiàn)入射波與反射波的功率檢測，如圖7所示，入射功率和反射功率由耦合器取出，經(jīng)衰減器進入檢波管，輸出的2路電壓信號通過AD8364內(nèi)部的減法電路后，輸出Vout到控制器。Vout與反射系數(shù)Γ的關(guān)系式為：

其中，D為雙向定向耦合器的方向性，本設(shè)計D的參數(shù)為20。根據(jù)（1）式，由反射系數(shù)求出控制電路的基準電平，當檢測到Vout小于基準電平時，降低功放輸入或關(guān)閉功放。

圖7 駐波保護電路

3 測試

使用功率源、功率計和頻譜儀對功放進行測試，電源電壓48V，輸入功率0dB時，頻率從80～120MHz范圍內(nèi)變化。為測試功放線性度，使用雙音信號，輸入頻率分別為88MHz和96.6MHz，圖8所示為輸出功率為20dB時的雙音測試結(jié)果。

圖8 雙音測試結(jié)果

由測試結(jié)果可知，在工作頻段內(nèi)功率增益大于20dB，增益平坦度±1dB，三階交調(diào)抑制－20dBc，滿足多載波前饋系統(tǒng)中對主功放的增益和線性度要求。

單音信號測試結(jié)果見表1所列。

表1 88～108MHz輸出功率

4 結(jié)束語

多載波前饋系統(tǒng)中的主功率放大器除了具備寬頻帶、高增益和較高的效率之外，還要確保較好的線性度和增益平坦度。本設(shè)計采用推挽結(jié)構(gòu)，同軸阻抗變換器結(jié)合集總元件共同實現(xiàn)阻抗匹配，實現(xiàn)了100W功率輸出的高線性度功率放大器，滿足系統(tǒng)要求。

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