陈 琦1
，徐 军1
，雷 毅
2
(1.电子科技大学物理电子学院，四川省成都市610054;2.深圳迈科信科技有限公司，广东省深圳市518000)
摘 要：仿真并设计了一款VHF 波段宽带大功率放大器。匹配网络采用传输线变压器宽带匹配技术以及微带混合电路，使功率极好地传输。末级采用多个放大器功率合成来满足大功率的要求。采用了负反馈网络改善电路性能，通过预失真网络的调整得到较好的功率平坦度，采用输出耦合反馈控制电路保证功放正常工作。该功放在20MHz ～90MHz 频段内输出功率大于50d Bm ，且具有较好的增益平坦度和较高的效率。给出了测试结果，满足设计要求。 关键词:VHF；功率放大器；巴伦中图分类号:T N722
收稿日期:2008206212；修回日期:2008208218。
0 引 言
现代移动通信的迅猛发展，功率放大器在现代电子微波系统中越发凸显了其必不可少的重要性。特别是软件无线电的出现，对功率放大器的带宽有了更高的要求。实现软件无线电的关键技术之一就是宽带射频前端，作为射频前端模块的重要部件，宽带线性功率放大器对通信系统的性能起着关键作用。
本文设计了一个宽带高线性功率放大器。微波功率放大器设计关键在于其输入输出匹配电路。功放匹配电路的设计主要有动态阻抗匹配、大信号S 参数法仿真、谐波平衡法等。设计宽带线性功率放大器时，必须在放大器的带宽、输出功率和非线性等指标之间折中。功率放大器的各部件都对输出的非线性有影响，其中最主要的是驱动放大器和末级功率放大器。本文选用放大模块作为驱动放大器。末级功率放大器选用了增强型LDMOS 大功率场效应管，利用管子的非线性模型，采用谐波平衡法仿真。设计中使用了Advanced Design Syste m s,Aut o CAD,p r otel 等软件。
1 功率放大器的技术指标要求
技术指标要求如下：工作频带为20MHz ～90MHz；输入功率为-10d Bm ～10dBm；输出功率(1d B 压缩点)为≥50d Bm ；增益为≥40d B ；增益平坦度为±1dB;VS WR (in )为1.5∶1.0；谐波抑制为2次谐波
≥14dBc,3次谐波为≥10d Bc；交调抑制为≥15dBc；杂波输出为-70d Bc；温度(壳温)范围为-25℃～55℃。有过激励、过流、过热保护。
2 整体设计方案
功率放大器的组成如图
1所示。
图1 功率放大器组成示意图
此宽带线性放大器工作频段近3个倍频程，线性要求较高，而且输出功率较大。功率放大器采用3级放大。第1级选用放大模块，工作在小信号状态，按小信号高增益放大器设计；推动级和末级放大选用MOS 2FET 场效应管，工作在大信号状态，按大信号高功率放大器设计。后2级都采用推挽平衡结构并工作在AB 类，以兼顾线性与效率。
第1级放大模块提供较大增益，推动级将射频信号进一步放大。前2级要求有较高的线性度，避免输出失真信号被末级放大造成更差的输出。作为末级宽带功率放大器，大信号特征比较明显，其指标性能的优劣对整体指标的影响非常重要，需要严格要求。本设计采用带宽宽，输入输出阻抗高，易于设计匹配电路的MOSFET 场效应管。
3 衰减网络设计
功率放大器前端采用数控衰减器，实现对输入信
号逐级衰减和增益可调性。
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03・第34卷第11期2008年11月 电子工程师 E LECTRON I C E NGI N EER Vol
.34No .11
Nov .2008
4 匹配网络设计
匹配网络如图2所示
。
图2 匹配网络
一般情况下，功率增益随频率增加近似按6dB 倍
频程而下降。由于工作频带很宽，必须对增益滚降采取措施，使频段内增益平坦度减小。匹配须提供一个随频率按正斜率变化的增益，以补偿晶体管的滚降。采用平衡结构和增加反馈都可以加宽带宽和减小平坦度。大信号工作条件下，功率放大管的输入、输出阻抗变化很大，宽带匹配越加困难。在功率放大器设计中，输入和输出匹配电路基于特定的匹配功能而遵循不同的设计原则。输入匹配电路主要解决稳定性、增益、增益平坦度、输入驻波等问题；输出匹配电路主要是谐波抑制，改善驻波比和降低损耗等问题。
实践证明，在VHF 频段，匹配网络采用传输线用变压器和微带混和电路，能达到很好的效果，在要求的带宽内实现功率的最大传输。
本设计采用同轴线巴伦(平衡/不平衡转换)作为一分二功分器(或合路器)与阻抗变换。通过多根同轴线的不同连接，可以得到不同的阻抗变换巴伦。本设计采用的管子的输入输出阻抗在频带内为几欧，采用4∶1或9∶1巴伦将之匹配到25Ω或者50Ω左右。图3所示为9∶1阻抗变换
。
图3 9∶1阻抗变换
在VHF 频段中，电感与电容元件可采用集总参数
元件，这样便于进行调整，以满足阻抗匹配的要求和补偿功率放大器管参数变化所产生的影响。功率放大器管采用推挽结构，射频信号输入采用了一个巴伦单端-平衡变换器，把信号分成两路输入，如图
4所示
。
图4 巴伦分路器
放大器的稳定性是放大器仿真设计中必须考虑的
问题。稳定性取决于晶体管的S 参数、匹配网络等因数。改善电路稳定性的方法有很多。如图5所示，将功率放大器管并联电容、电阻，形成负反馈，是宽带功率放大器设计中常用的方法，不仅可以使电路稳定，同时也对输入输出匹配有重要作用，反馈的增加还可以展宽频带
。
图5 负反馈示意图
5 偏置网络的设计
静态工作点由栅极电压决定，放大器需要偏置电
路来提供正确的工作状态，它设计的好坏直接影响有源器件的性能。图6所示为偏置网络示意图
。
图6 偏置网络示意图
部分偏置电路如图7所示
。
图7 部分偏置电路
偏置电路的加入不能影响原匹配网络的性能，这就要求偏置电路对RF 信号相当于开路。宽带电路中常采用电感来隔离交流信号，以降低偏置电路中的RF 功率损耗，如图7所示，根据实际需要的电感量的大小，可使用片式电感、磁环线圈等来达到目的。栅极电感也可采用电阻来替代。在信号通路上采用隔直电容，以阻断直流信号。该电容应具有低有效串联电阻和在达到最高工作频率时无寄生谐振。在多倍频程宽
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13・第34卷第11期陈 琦，等:VHF 宽带功率放大器设计・基本电子电路・
带放大器中偏置电路对电路性能的影响较大，应作为匹配电路的一部分来结合设计。
6 测试结果
使用信号源与功率计，测试输入0d Bm ～7d Bm 时的输出功率，结果如表1所示。
表1 输出功率
输入功率
/d Bm 输出功率/d Bm
20MHz 40MHz 60MHz 80MHz 90MHz 045.444.745.644.344.5146.3
45.746.545.2
45.4247.246.747.546.146.3348.247.748.44747.2449.148.749.347.948.1549.849.750.248.749650.350.6-49.649.87
-
--50.3
50.5
使用网络分析仪，在输入-10dB 时测得频带内几个点的的增益，结果如表2所示。
表2 几个频点的增益频率/MHz
增益/d B 20
44.7
4045.26045.08044.190
44.4
使用频谱仪、功率计测得输出功率为50d Bm 时的谐波，结果如表3所示。
表3 输出功率为50dB m 时的谐波
谐波次数
谐波值/d Bc
20MHz 40MHz 60MHz 80MHz
90MHz 2次22.331.534.033.835.03次
11.9
14.5
13.6
16.5
15.9
使用频谱仪、信号源、功率计测得输出信号功率为
47d Bm 时的3阶交调，对应于20MHz 、40MHz 、60MHz 、80MHz 、90MHz 的3阶交调分别为20.3dBc 、23.3dBc 、18.7dBc 、19.0d Bc 和20.2dBc 。
通过测试可知，增益到达40d B ，且增益平坦度在正负1dB 内，放大器输入端和输出驻波比满足要求，谐波抑制、3阶交调等指标均满足产品要求。
7 结束语
本文设计了一个带宽为3个倍频程功率放大器，利用ADS 等软件对功率放大器进行仿真，采用传输线变压器结合微带线设计输入输出匹配网络和级间匹配网络。用预失真线性化方法实现功率放大器的线性要求。为了兼顾稳定性、增益、驻波比以及带宽要求，采用反馈网络稳定措施设计电路，得到较为理想的结果。
参 考 文 献
[1]张肃文，陆兆熊.高频电子线路[M ].3版.北京：高等育
出版社,1993.
[2]刘光枯，饶妮妮.模拟电路基础[M ].成都：电子科技大
学出版社,2001.
[3]黄香馥.宽带匹配网络[M ].西安：西北电讯工程学院出
版社,1986.
陈 琦(19842)，男，硕士研究生，主要研究方向是毫米波电路。
The Desi gn of VHF W i de 2band Power Ampli fi er
CHEN Q i 1
,XU Jun 1
,L E IY i
2
(1.University of Electr onic Science and Technol ogy of China,Chengdu 610054,China;
2.Shenzhen Maike Science and Technol ogy Co L td,Shenzhen 518000,China )
Abstract:The paper p resents the si m ulati on and design of a VHF br oadband power a mp lifier with the bandwidth of nearly three t o one .M icr ostri p circuit and push 2pull transist ors are e mp l oyed .Coax balun (an i m balance 2balance conversi on )is used as a 22s p litters (or combiner )and for i m pedance transf or mati on .The test results are p r ovided .The a mp lifier works in the frequency band of 20MHz ～90MHz with the out put po w 2er greater than 50dBm ,and has a good gain flatness and high efficiency .
Keywords:VHF;power a mp lifier;balun
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23・・基本电子电路・电子工程师2008年11月
