高貴虎，蘇凱雄

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350116)

隨著中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正逐步從區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展成為全球性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)所獨(dú)具特色的短報(bào)文通信功能，使其在國防、民生等領(lǐng)域得到越來越廣泛的作用[1-2]。射頻功率放大器作為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航與通信終端設(shè)備的末級(jí)信號(hào)放大器，其性能的好壞直接關(guān)乎發(fā)往衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量和終端設(shè)備的電源效率。然而，由于通常采用的大功率射頻功率放大器存在線性度不理想、電源效率低、供電電壓高、成本高、易受溫度影響等問題[3-4]，制約了其在北斗通信終端中的應(yīng)用。目前，北斗衛(wèi)星相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢，大功率射頻放大器方案主要采用進(jìn)口芯片，通過高電壓供電，成品移動(dòng)性較差。

為解決上述問題，本文在傳統(tǒng)三級(jí)級(jí)聯(lián)射頻功率放大器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過引入功率分配器和功率合成器，形成對(duì)稱性電路的解決方案，從而在保證足夠的線性輸出功率的前提下，降低供電電壓要求，并提高電路穩(wěn)定性。同時(shí)，通過結(jié)合微帶低通濾波器設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減低系統(tǒng)的諧波干擾。

1 系統(tǒng)組成

本文提出的射頻功率放大器結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由前置級(jí)放大器、功率分配器、驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器、末級(jí)功率放大器、功率合成器和低通濾波器等單元電路組成。

圖1 射頻功率放大器系統(tǒng)組成框圖Fig.1 RF power amplifier system block diagram

射頻功率放大器的輸入信號(hào)為北斗射頻發(fā)射通道輸出的中心頻率1.61568 GHz、功率為0 dBm的BPSK調(diào)制信號(hào)。考慮到功率分配器的插入損耗約為3 dB、功率合成器增益約為3 dB、輸出濾波器的插入損耗接近于0 dB，為達(dá)到30 W(44.8 dBm)線性輸出功率，要求上下兩路末級(jí)射頻功率放大器的P1dB應(yīng)大于15 W(41.8 dBm)。綜合考慮線性度、增益、供電電壓和封裝等因素，末級(jí)射頻功率放大器選用LDMOS工藝的場(chǎng)效應(yīng)晶體三極管PD20015C。LDMOS工藝具有良好的線性度、穩(wěn)定性和溫度特性，能夠較好地解決效率和線性度的問題。同時(shí)，采用LDMOS工藝的單級(jí)功放可提供較大的功率增益(約12 dB)，故驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器的P1dB輸出功率確定為1 W(30 dBm)、增益為25 dB。低通濾波器、功率分配器和功率合成器均采用微帶線形式實(shí)現(xiàn)，既可以確保低插損，也可以提高穩(wěn)定性。綜合以上分析，前置級(jí)射頻功率放大器增益只要大于8 dB即可滿足射頻鏈路要求。

2 射頻鏈路分析與設(shè)計(jì)

2.1 功率分配器與功率合成器

功率分配器和功率合成器的主要指標(biāo)包括回波損耗、插入損耗、隔離度、工作頻段等。由于無源結(jié)構(gòu)的功率分配器與功率合成器是一對(duì)互易網(wǎng)絡(luò)，二者具有完全一致的結(jié)構(gòu)和性能，故對(duì)其中一種的分析設(shè)計(jì)同樣適用于另一種[5-6]。以下以功率分配器為例進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

圖2 功率分配器的電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Circuit structure of power splitter

本文采用的功率分配器結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，端口1為輸入端口，其源阻抗為Z0；端口2和端口3為輸出端口，其負(fù)載阻抗分別為R2和R3；兩段1/4波長傳輸線的特性阻抗分別為Z02和Z03，電阻R為隔離電阻。則輸出端口2和3的輸出功率分別為

(1)

(2)

其中k2為功分比。若取R2=KZ0，則R3=Z0/K。由四分之一波長阻抗變換器理論可得

(3)

聯(lián)立解可得

(4)

為了滿足功率分配器輸出端口的平衡性，可令功分比k2=1，端口源阻抗Z0=50 Ω。由上式可得，Z02=Z03=70.7 Ω，隔離電阻R=100 Ω，λ/4=4.62 cm。

結(jié)合電路結(jié)構(gòu)圖和電路參數(shù)進(jìn)行實(shí)際電路的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果如圖3所示。從圖可以看出，在頻率為1.616 GHz處，所設(shè)計(jì)的功率分配器的插入損耗為3.038 dB，輸出端口的反射損耗達(dá)41.89 dB(即反射系數(shù)很小)，兩個(gè)輸出端口之間的隔離度達(dá)38.4 dB?？梢姡O(shè)計(jì)的功率分配器的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 功率分配器的仿真結(jié)果Fig.3 Power splitter simulation results

2.2 末級(jí)功率放大器

射頻功率放大器主要由輸入輸出匹配電路、偏置電路、有源器件三部分組成[7]。通常的設(shè)計(jì)方法是：在工作頻段內(nèi)絕對(duì)穩(wěn)定的條件下，設(shè)置的偏置電路應(yīng)使有源器件的靜態(tài)工作點(diǎn)位于線性放大區(qū)，并保證具有最大的線性度區(qū)間[8]；通過輸入輸出匹配電路的合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)有源器件對(duì)源阻抗和負(fù)載阻抗的匹配，從而保證功率放大器的增益、效率和輸出功率。

為了最大化器件性能，本文采用負(fù)載牽引和源牽引相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)匹配電路。牽引法設(shè)計(jì)的核心思想是在大信號(hào)的持續(xù)激勵(lì)下，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)阻抗變換器，得到器件在不同阻抗下的效率值和功率值，并繪出等功率曲線和等效率曲線[9]。首先，調(diào)用負(fù)載牽引模板尋找最佳阻抗ZL，通過調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)、圓心和半徑等參數(shù)，找到最大效率點(diǎn)和最大功率點(diǎn)，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 負(fù)載牽引的仿真結(jié)果Fig.4 Load-pull simulation results

從圖4可以看出，在最大功率點(diǎn)處，負(fù)載阻抗=1.436+j0.878，根據(jù)阻抗參數(shù)可運(yùn)用史密斯圓圖完成輸出共軛匹配，并將輸出匹配網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入原理圖中。源牽引法仿真過程同負(fù)載牽引法類似，這里不再贅述。針對(duì)輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)和優(yōu)化后，得到末級(jí)功率放大器的輸入輸出特性如圖5所示。

圖5 末級(jí)功放的輸入功率和輸出功率曲線Fig.5 Input power and output power curve of the final stage amplifier

由圖5可知，當(dāng)輸入功率為30 dBm時(shí)，輸出功率為41.809 dBm(滿足15 W設(shè)計(jì)要求)，且工作點(diǎn)位于P1dB壓縮點(diǎn)以內(nèi)，在保證輸出功率和線性度的同時(shí)，也兼顧了效率。

2.3 微帶濾波器

隨著頻率的升高，集總參數(shù)濾波器的幅頻特性受寄生參數(shù)的影響將越來越大，而分布參數(shù)濾波器在頻率高端具有插入損耗小、一致性高的優(yōu)點(diǎn)，但占用面積較大[10]。本文采用集總參數(shù)與分布參數(shù)相結(jié)合的電路設(shè)計(jì)方法，并通過Richards變換和Kuroda規(guī)則進(jìn)行巴特沃茲低通濾波器設(shè)計(jì)，以獲得體積較小、抑制諧波能力強(qiáng)、輸出阻抗匹配和輸出端隔離度好的效果[11]。

Richards變換的核心思想是將一段開路(短路)的傳輸線等效轉(zhuǎn)化為分布的電容(電感)元器件[12]。一段終端開路的短截線可以等效為電容，其輸入阻抗:

Zin=jwC=jY0tan(βL)=jY0tan(θ)。

(5)

其中θ為電長度，β為傳播常數(shù)，L為傳輸線長度。以長度L=λ0/8的傳輸線為例，在工作頻率f0處有

(6)

其中vp為相速度，Ω為歸一化頻率，由式(5)(6)可得

(7)

其中S=jtan(πΩ/4)。同理可得，一段終端短路的傳輸線等效為電感的Richards變換為

(8)

Kuroda規(guī)則通過加入微帶傳輸線實(shí)現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)換，提出了四種易于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換規(guī)則，可將串聯(lián)短截線變換為并聯(lián)短截線[13]。

通過調(diào)用ADS自帶的庫函數(shù)，可以完成電路的轉(zhuǎn)化[14]。設(shè)計(jì)采用的電路板材厚度為0.8 mm、介電常數(shù)為3.48。所設(shè)計(jì)濾波器特性的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 微帶濾波器S21頻率響應(yīng)曲線Fig.6 Microstrip filter S21 frequency response curve

從圖6可以看出，濾波器通帶內(nèi)平坦度良好，帶外衰減滾降快，對(duì)于北斗L頻點(diǎn)載波的二次及以上諧波抑制度達(dá)到40 dB以上。

2.4 前置級(jí)和驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器

由鏈路分析可知，前置級(jí)射頻功率放大器增益為8 dB，驅(qū)動(dòng)級(jí)射頻功率放大器增益為25 dB。為了適應(yīng)輸入信號(hào)的變化范圍，前置級(jí)射頻功率放大器設(shè)計(jì)成增益可調(diào)式，故選用了專用射頻集成放大器，其功率增益范圍為0～22 dB、P1dB壓縮點(diǎn)輸出功率為17.8 dBm。通過輸入輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，分別實(shí)現(xiàn)與50 Ω實(shí)阻抗的匹配。

驅(qū)動(dòng)級(jí)射頻功率放大器選用線性增益為25 dB，在1.616 GHz處的最大輸出功率可達(dá)30 dBm的射頻集成放大器，以滿足推動(dòng)末級(jí)射頻功率放大器的要求。

2.5 系統(tǒng)聯(lián)合仿真

結(jié)合以上各單元電路的設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)整個(gè)電路做系統(tǒng)聯(lián)合仿真。三級(jí)級(jí)聯(lián)射頻功率放大器的總體仿真電路如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)仿真電路原理圖Fig.7 System simulation circuit schematic diagram

本射頻功率放大器輸入信號(hào)的頻率為1.616 GHz，輸入輸出特性的仿真結(jié)果如圖8所示。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)輸入功率為0 dBm時(shí)，線性輸出功率為44.79 dBm(滿足30 W的設(shè)計(jì)要求)。

圖8 系統(tǒng)輸入功率和輸出功率曲線圖Fig.8 System input power and output power diagram

3 實(shí)物驗(yàn)證與測(cè)試

進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合射頻硬件電路的設(shè)計(jì)原則，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)走線阻抗，嚴(yán)格控制走線長度，并注意接地散熱和腔體屏蔽等問題。板材選用Rogers4350B，該板材具有低插損、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。完成PCB版圖設(shè)計(jì)、電路板加工和元器件焊接后，實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)果如圖9所示。

圖9 射頻功率放大器實(shí)物圖Fig.9 RF power amplifier physical diagram

通電后，借助于頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，使其處于最佳工作狀態(tài)。用偽碼發(fā)生器調(diào)制單載波來模擬北斗BPSK調(diào)制信號(hào)，并作為本射頻功率放大器的輸入信號(hào)(輸入功率電平為0 dBm)，可測(cè)得輸出功率的頻譜圖如圖10所示。

圖10 輸出功率頻譜圖Fig.10 Output power spectrum diagram

從頻譜圖可以看出，此時(shí)帶內(nèi)功率44.787 dBm(滿足30W的設(shè)計(jì)要求)。當(dāng)逐漸增大輸入信號(hào)時(shí)，輸出功率不再呈現(xiàn)線性地同步增大，說明射頻功率放大器已開始進(jìn)入非線性狀態(tài)；而當(dāng)逐漸減小輸入信號(hào)時(shí)，輸出功率隨之線性地減小?？梢姶藭r(shí)功放工作狀態(tài)剛好處于P1dB壓縮點(diǎn)附近，功率放大器的線性度和效率都處于較高的水平。

4 結(jié)論

本文提出一種改進(jìn)型三級(jí)級(jí)聯(lián)射頻功率放大器的設(shè)計(jì)方案。通過合理分配系統(tǒng)中各功能單元電路的技術(shù)指標(biāo)，并對(duì)系統(tǒng)中的增益、線性度和S參數(shù)做詳細(xì)分析，經(jīng)過仿真設(shè)計(jì)和實(shí)物測(cè)試，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)方案的可行性。采用本文方法設(shè)計(jì)制作的30 W射頻功率放大器具有穩(wěn)定性好、效率高、諧波干擾小等特點(diǎn)，已應(yīng)用于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航通信終端上。