安士全，郭本青，張 瑞

（1.中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230031；2.電子科技大學通信與信息工程學院，成都 610054）

一種小型化超寬帶功率放大器的設計

安士全1，郭本青2，張 瑞1

（1.中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230031；2.電子科技大學通信與信息工程學院，成都 610054）

針對超寬帶（0.6 GHz～2.2 GHz）高效率功率放大器的設計要求，選用CREE公司GaN器件CGH40045，在ADS仿真軟件中采用Load+Pull技術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)元件的方法進行輸入輸出阻抗的寬帶匹配。設計完成后，對電路進行了測試，測試結果表明，在輸入為34 dBm，工作電壓為28 V時，0.6 GHz～2.2 GHz頻率范圍內漏極效率優(yōu)于50%，輸出功率高于45 dBm，帶內增益波動小于1.2 dB，驗證了此方法的有效性。

功率放大器；寬帶；高效率；負載牽引

0 引 言

微波功率放大器在雷達、通信、導航、衛(wèi)星、電子對抗設備等系統(tǒng)中有著廣泛的應用。隨著科技的發(fā)展，對這些電子系統(tǒng)的性能要求不斷提高。作為電子設備的關鍵元件之一，功率放大器直接影響著包括工作帶寬在內的整個射頻系統(tǒng)的性能指標。因此，小型化寬帶高效放大器的設計一直是微波功率放大器的研究熱點［1－2］。

設計了一種基于負載牽引技術的混合匹配網絡的寬帶高效功率放大器。

1 設計方法

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，很大程度地限制了其頻帶寬度。尤其在較高頻率時，它的內部反饋及寄生參量影響很大，晶體管特性會在較寬的頻率范圍內有較大變化，通過負載牽引法得到的高效率最佳源阻抗與負載阻抗也會隨頻率變化。實現(xiàn)寬帶高效功放的一種最直接思路是設計出的匹配網絡所呈現(xiàn)的阻抗能夠順應這種變化趨勢，以得到每個頻點的最高效率［3－6］；然而滿足相應要求的匹配網絡一般難于實現(xiàn)。另一種思路則是選擇一組源阻抗與負載阻抗值作為實現(xiàn)寬帶高效的最佳匹配點，使在這組阻抗條件下，功放在所關注的頻段內均達到較高效率。這樣，設計難點就轉化為寬帶匹配網絡的實現(xiàn)，即設計的輸入輸出網絡在工作帶寬內均要表現(xiàn)出最佳匹配點的值［7－8］。

1.1 最佳輸入輸出阻抗的選擇

設計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載阻抗。基于CREE公司提供的GaN HEMT CGH40045大信號模型，在ADS環(huán)境中進行源牽引與負載牽引，在整個頻段內選擇0.6，1.0，1.4，1.8，2.2 GHz進行源牽引與負載牽引，通過多次迭代找到最佳的輸入輸出阻抗，并用曲線標示出其在整個帶寬內的變化趨勢。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作為最佳負載匹配點能夠在0.6 GH～2.2 GHz內較好地達到效率、帶寬折中的目的。另外，最佳負載匹配點也應使得工作帶寬內的最佳源阻抗相對集中，最終選定在1.8 GHz處的最佳負載阻抗6.5Ω和源阻抗（5－j*2Ω），分別如圖1所示。

圖1 1.8 GHz時負載牽引（左）與源牽引（右）下的功率效率曲線

在選定的負載和源阻抗進行功率和效率的仿真測試，分別給出了設定為最佳匹配點時功放在0.6 GH～2.2 GHz范圍內幾個頻點的功率附加效率及輸出功率，見表1。由數(shù)據(jù)可見該阻抗是比較理想的。

表1 最佳負載／源阻抗下頻帶內5個頻點的功率和效率仿真值

1.2 匹配電路設計

在微波功率放大器的匹配電路設計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，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，本電路采用二者混合的方式進行匹配［9－10］。

利用ADS中的smith chart工具可以很方便的進行集總元件與微帶的混合匹配設計，低阻的微帶實現(xiàn)實部阻抗匹配，并聯(lián)電容實現(xiàn)消除復阻抗的虛部。為保證電路的寬帶性能，匹配電路需要多級匹配以保證低Q值，利用圓圖工具進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

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

圖3 整體仿真電路圖

圖4 輸出功率（左）與附加效率（右）隨頻率的仿真結果

2 測試結果與分析

在完成電路的ADS仿真，進行投產加工并進行測試?？紤]到小型化和加工精度的要求，介質板材選用Rogers公司的RT6006，介電常數(shù)為6.15，厚度0.635 mm。電路的實物圖，如圖6所示，實際電路尺寸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，對電路進行了簡單的調試，由于輸入功率33 dBm還沒有完全飽和，因此對輸入功率33 dBm和34 dBm分別對功率放大器進行了測試，如圖7是在0.6～2.2 GHz的頻率范圍內輸出功率隨輸入功率的曲線，整個頻段內輸出功率都在45 dBm以上，增益大于11 dB。圖8是經計算各頻點的漏極效率曲線，由圖可以看出，輸入功率34 dBm時，在0.6～2.2 GHz的設計頻段內漏極效率大于50%，滿足指標需求。

圖5 穩(wěn)定性仿真結果

圖6 小型化寬帶高效功率放大器實物圖

圖7 輸出功率曲線

圖8 漏極效率與頻率間的曲線

3 結 語

設計了一款小型化超寬帶功率放大器，經測試在0.6～2.2 GHz頻帶內輸出功率大于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、電子對抗等系統(tǒng)中用作寬帶高效放大器。

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安士全（1977—），山東新泰人，高級工程師，研究方向為射頻前端；

E+mail：anshiquan＠126.com；

郭本青（1977—），河南新鄉(xiāng)人，電子科技大學通信與信息工程學院特聘副研究員，研究方向為射頻模擬集成電路；

張 瑞（1977—），高級工程師，研究方向為射頻前端。

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