劉國(guó)華 周國(guó)祥 郭燦天賜 程知群

(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310018)

1 引 言

無(wú)線通信基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)雜性、通信標(biāo)準(zhǔn)和頻率分段的日益增加，對(duì)功率放大器的效率和工作帶寬提出了更高的要求[1]。隨著5G通信的到來(lái)，收發(fā)機(jī)系統(tǒng)一直朝著低能耗、高效率和寬頻帶的方向飛速發(fā)展[2]。而匹配電路作為功率放大器的關(guān)鍵部分，其設(shè)計(jì)性能直接決定了功放的效率、帶寬和功率等技術(shù)指標(biāo)。因此，寬帶匹配電路的設(shè)計(jì)是寬帶功放設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。

目前，設(shè)計(jì)者們對(duì)高效率功放帶寬的擴(kuò)展，通常采用連續(xù)類思想[3，4]來(lái)實(shí)現(xiàn)。連續(xù)類思想的功放通過增加諧波控制因子，擴(kuò)大了最優(yōu)阻抗解空間，但由此增加了匹配電路設(shè)計(jì)的難度。另外，設(shè)計(jì)者采用混合類[5—8]的諧波控制網(wǎng)絡(luò)，在不同的頻點(diǎn)下使功放分別工作在不同的類別(J/F/F—1)，拓展了功放的帶寬，但與此同時(shí)也會(huì)增加電路的復(fù)雜性。濾波結(jié)構(gòu)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)也被應(yīng)用到功放的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中[9，10]，該方法不僅要保證功放的工作頻率在通帶內(nèi)，而且過渡帶的衰減速度問題也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。1977年，實(shí)頻法由Carlin首先提出，它是一種基于線性分段近似逼近最佳特性的網(wǎng)絡(luò)綜合方法[11]，為寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供了新的途徑。1982年，Yarman在原始實(shí)頻法的基礎(chǔ)上，對(duì)算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了簡(jiǎn)化實(shí)頻算法[12]。后來(lái)，該算法與電路設(shè)計(jì)相結(jié)合并被使用到功放的設(shè)計(jì)上[13]，盡管可以設(shè)計(jì)出寬頻帶電路，但是要實(shí)現(xiàn)性能良好的多倍頻程寬帶電路還是有一定的困難。

為了進(jìn)一步拓展帶寬，本文使用GaN HEMT(氮化鎵材料工藝，使得器件輸出功率水平可以得到大幅提高[14])晶體管器件，基于改進(jìn)的簡(jiǎn)化實(shí)頻算法，結(jié)合負(fù)載牽引技術(shù)，對(duì)功放的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，完成了一款覆蓋多個(gè)移動(dòng)通信頻段的超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)。

2 簡(jiǎn)化實(shí)頻法理論分析

2.1 傳統(tǒng)簡(jiǎn)化實(shí)頻法

圖1所示為用散射參數(shù)表示的匹配網(wǎng)絡(luò)。實(shí)頻法將無(wú)耗的二端口網(wǎng)絡(luò)用S參數(shù)表示

其中，n代表了網(wǎng)絡(luò)中的元件數(shù)。h(s)與g(s)是n項(xiàng)的赫爾維茲多項(xiàng)式。

其他匹配網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)可表示為

通過無(wú)耗原則，得到g與h的關(guān)系?？梢詫鬏敼β试鲆?Transducer Power Gain， TPG)表示為

在整個(gè)頻段內(nèi)，盡可能的優(yōu)化TPG，使其接近于設(shè)置的優(yōu)化目標(biāo)T，依據(jù)兩者差值作為優(yōu)化的誤差函數(shù)。

2.2 改進(jìn)的簡(jiǎn)化實(shí)頻法

實(shí)驗(yàn)表明，在一個(gè)跨多倍頻的帶寬范圍內(nèi)，晶體管負(fù)載牽引最優(yōu)阻抗數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，簡(jiǎn)化實(shí)頻法使頻帶內(nèi)所有頻點(diǎn)優(yōu)化到目標(biāo)TPG是有困難的。因此傳統(tǒng)的實(shí)頻技術(shù)在多倍頻上實(shí)現(xiàn)寬帶匹配有局限性。針對(duì)上述傳統(tǒng)實(shí)頻技術(shù)的問題，本文對(duì)優(yōu)化算法進(jìn)行改進(jìn)，在優(yōu)化TPG的基礎(chǔ)上，結(jié)合負(fù)載牽引技術(shù)對(duì)阻抗的分布規(guī)律進(jìn)行分析，使阻抗呈圓形狀分布于中心頻點(diǎn)周圍，可以在更寬的工作頻帶下發(fā)揮晶體管的潛能。

圖1 散射參數(shù)的匹配網(wǎng)絡(luò)

通過負(fù)載牽引技術(shù)得到晶體管負(fù)載的寬頻各點(diǎn)的最優(yōu)阻抗值，最優(yōu)阻抗大致分布在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，選取中心頻率點(diǎn)阻抗(Zcy+j·Zcx)與最邊緣頻點(diǎn)的阻抗(Zsy+j·Zsx)的虛部與實(shí)部的差值作為優(yōu)化目標(biāo)Zx和Zy

建立阻抗的誤差函數(shù)

建立TPG的誤差函數(shù)

其中，T(s)為設(shè)計(jì)出寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的傳輸功率增益(TPG); T0為初始設(shè)置的傳輸功率增益(TPG)優(yōu)化目標(biāo)。

使用最小二乘法對(duì)匹配電路的Terror(s)和負(fù)載阻抗Zerr同時(shí)優(yōu)化，使TPG誤差函數(shù)值盡可能趨近于0的同時(shí)，保證阻抗誤差函數(shù)的值趨近于1，最終可以得到一個(gè)跨多倍頻程的寬帶匹配電路。由于負(fù)載牽引選取的是最優(yōu)PAE軌跡，最終也會(huì)提升功率放大器電路的整體效率。

3 超寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)

在先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Advanced Design System，ADS) 軟件中，對(duì)晶體管的輸出負(fù)載端進(jìn)行負(fù)載牽引，獲取0.5～2.7 GHz范圍內(nèi)10個(gè)頻點(diǎn)的最優(yōu)阻抗值，如表1所示。

將10個(gè)頻點(diǎn)的最優(yōu)阻抗值作為簡(jiǎn)化實(shí)頻法的輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。通過簡(jiǎn)化實(shí)頻法得出了輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的h與g具體表達(dá)式

將得到的h與g表示出匹配網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，對(duì)其使用長(zhǎng)除法進(jìn)行變形，得到式(13)，式中變量S的系數(shù)就是所設(shè)計(jì)的LC結(jié)構(gòu)

表1 各個(gè)頻點(diǎn)下的最優(yōu)阻抗值

圖2所示為簡(jiǎn)化實(shí)頻法得到的輸出匹配電路，其是由集總參數(shù)的LC結(jié)構(gòu)組成。集總參數(shù)寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)還需要轉(zhuǎn)換為微帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將利用到Richard和Kiruoda法則對(duì)其進(jìn)行變換，對(duì)其適當(dāng)?shù)膬?yōu)化修正即可，優(yōu)化得到的電路如圖3所示?？招娜潜硎玖司w管負(fù)載最優(yōu)阻抗的變化趨勢(shì)，實(shí)心方塊代表了變換后輸出匹配的輸入阻抗值的變化趨勢(shì)。可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)心方塊曲線是圍繞著中心阻抗點(diǎn)Z為圓心，呈現(xiàn)順時(shí)針圓的趨勢(shì)進(jìn)行變化，優(yōu)化的結(jié)果與實(shí)頻法預(yù)想的結(jié)果相符合。表明優(yōu)化的匹配電路可以在寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)匹配。

對(duì)圖3所示的寬帶匹配電路進(jìn)行S參數(shù)仿真得到的結(jié)果如圖4所示。在目標(biāo)頻段范圍內(nèi)，S11均小于10 dB， S21也趨向于0 dB，展現(xiàn)了良好的寬帶特性，也驗(yàn)證了方法的可行性。功放的輸入匹配電路采用階躍式的匹配結(jié)構(gòu)，在ADS中進(jìn)行仿真優(yōu)化。將偏置電路與輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)放入到整個(gè)電路中，得到的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖2 簡(jiǎn)化實(shí)頻法得到的輸出匹配電路

圖3 晶體管負(fù)載數(shù)據(jù)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

4 實(shí)現(xiàn)與測(cè)試結(jié)果

前面利用電路仿真軟件對(duì)提出的超寬帶功率放大器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了所提改進(jìn)的簡(jiǎn)化實(shí)頻算法的可行性。為進(jìn)一步驗(yàn)證所提出方案的正確性，基于Cree公司的CGH40010F晶體管，采用Rogers4350B基板(H=0.76 mm， εr=3.66)對(duì)所設(shè)計(jì)的超寬帶功率放大器進(jìn)行了實(shí)物加工測(cè)試。其中，柵極和漏極的直流偏置電壓分別為：VG=—2.7 V， VD=28 V。

對(duì)功放電路進(jìn)行小信號(hào)測(cè)試，仿真與測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，在頻帶范圍內(nèi)，S21小信號(hào)增益最大14 dB。大信號(hào)測(cè)試結(jié)果如圖7所示。在0.5～2.7 GHz頻段內(nèi)，輸出功率為40.4～42.5 dBm，漏極效率為 64% ～75%，增益為 10～12.3 dB。

表2 是本文所設(shè)計(jì)的功放與近幾年同類文獻(xiàn)中的相關(guān)功放在主要技術(shù)指標(biāo)上的對(duì)比，功率器件均采用氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN High Electron Mobility Transistor， HEMT) 器件。在工作帶寬方面，本文設(shè)計(jì)的功放相對(duì)帶寬為137%，高于其它文獻(xiàn)中的帶寬指標(biāo)，不僅展示出了良好的寬帶特性，而且在效率上也有優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

圖4 匹配電路的S參數(shù)仿真結(jié)果

圖5 整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖6 小信號(hào)仿真與測(cè)試結(jié)果

圖7 漏極效率、輸出功率和增益仿真與測(cè)試結(jié)果

表2 本文與近幾年論文中功放主要指標(biāo)對(duì)比

本文基于改進(jìn)的簡(jiǎn)化實(shí)頻技術(shù)，采用Cree公司的GaN HEMT器件設(shè)計(jì)了一款可以覆蓋多個(gè)頻段的超寬帶功率放大器。通過將傳統(tǒng)簡(jiǎn)化實(shí)頻技術(shù)與負(fù)載牽引的技術(shù)結(jié)合，在原有TPG優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完成阻抗特定區(qū)域的匹配，以實(shí)現(xiàn)功放的寬帶化。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，在0.5～2.7 GHz頻帶內(nèi)，所設(shè)計(jì)的功放輸出功率為40.0～42.5 dBm，漏極效率達(dá)到 64%～75%。實(shí)物測(cè)試結(jié)果表明了本文將寬帶匹配算法應(yīng)用于功放的設(shè)計(jì)，不僅擴(kuò)展了其工作帶寬，還適當(dāng)提高了功放的效率，綜合指標(biāo)取得了較好的效果。