寬帶功率放大器的設(shè)計

0 引 言

寬帶功率放大器的應(yīng)用開始從軍用向民用擴展，目前在無線通信、移動電話、衛(wèi)星通信網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、直播衛(wèi)星接收(DBS)、ITS通信技術(shù)及毫米波自動防撞系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，在光傳輸系統(tǒng)中，寬帶功率放大器也同樣占有重要地位。

在無線通信、電子戰(zhàn)、電磁兼容測試和科學(xué)研究等領(lǐng)域，對射頻和微波寬帶放大器有極大需求，且這些領(lǐng)域?qū)拵Х糯笃饕蟾鞑幌嗤貏e是在通信系統(tǒng)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的應(yīng)用中，對寬帶低噪聲和功率放大器的性能指標有特殊要求。在設(shè)計上傳統(tǒng)窄帶放大器的端口匹配，一般是按照低噪聲或者共扼匹配來設(shè)計的，以此獲得低噪聲放大器或者最大的輸出功率。但是，在寬帶的條件下，輸入／輸出阻抗變化是比較大的，此時使用共扼匹配的概念是不合適的。正因為如此，寬帶放大器的匹配電路設(shè)計方法也與窄帶放大器有所不同，寬頻帶放大器電路結(jié)構(gòu)主要可以分為以下幾種：

平衡式放大器；反饋式放大器；分布式放大器；有耗匹配式放大器；有源匹配式放大器；達靈頓對結(jié)構(gòu)。各種結(jié)構(gòu)都有各自的特點和適用的情況，在設(shè)計中應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體放大器的性能指標要求進行合理的選擇。

1 寬帶功率放大器的結(jié)構(gòu)與原理

1．1 寬帶功率放大器的指標分析

寬帶功率放大器的許多指標和普通的功率放大器是一樣的，如飽和輸出功率、P1dB壓縮點、功率效率、互調(diào)失真、諧波失真、微波輻射等，但寬帶功率放大器也有特殊之處。

1．1．1 工作頻帶寬度

工作頻帶通常指放大器滿足其全部性能指標的連續(xù)工作頻率范圍。

1．1．2 增益平坦度與起伏斜率

增益平坦度是指頻帶內(nèi)最高增益與最低的分貝數(shù)之差，多倍頻程放大器的增益平坦度一般是±1～±3 dB。在微波系統(tǒng)中有時候需要兩個以上的寬頻帶放大器級聯(lián)，級聯(lián)放大器的增益平坦度將變壞，這是由于前級放大器輸出駐波比與后級放大器輸入駐波比不一致造成的。尤其在寬頻帶內(nèi)，級間的反射相位有時迭加，有時抵消，增大了起伏，因此一般要在級聯(lián)放大器的級間加匹配衰減器。環(huán)境溫度、直流偏置電壓以及時間老化等因素對增益值影響較大，而對增益平坦度的影響較小。

1．1．3 駐波比與反射損耗

寬頻帶放大器的駐波比指標比窄頻帶放大器更難保證。倍頻程放大器可以達到VSWR<2，當(dāng)要求較高時，可以用鐵氧體隔離器改善駐波比。但是，在多倍頻程的情況下，無法獲得適用的超寬頻帶隔離器，所以駐波比不可能很好。

1．2 LDMOS

Lateral Double diffusion MOS(LDMOS)采用雙擴散技術(shù)，在同一窗口相繼進行兩次硼磷擴散，由兩次雜質(zhì)擴散橫向結(jié)深之差可精確地決定溝道長度。溝道長度L可以做得很小，并且不受光刻精度的限制。由于LDMOS的短溝效應(yīng)，故跨導(dǎo)、漏極電流、工作頻率和速度都比一般MOSFET有了很大的提高；在射頻應(yīng)用方面，LDMOS有著更好的線性度、較大的線性增益、高的效率和較低的交叉調(diào)制失真。同時，LDMOS是基于成熟的硅工藝器件，比起其他的微波晶體管成本可以降低好幾倍。

1．3 有耗匹配式放大器的結(jié)構(gòu)

有耗增益補償匹配網(wǎng)絡(luò)在增益、放射系數(shù)和帶寬之間可完成“重要”的折衷，而且，這種匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性也可改善放大器的穩(wěn)定性，減小它的尺寸和價格，因為有耗匹配電路的方案簡單。在很多實際情況中，為了改善寬帶匹配——具有最小的增益波動和輸入反射系數(shù)，在晶體管輸入端并聯(lián)阻性元件是非常有效的。對較高頻率，使用感性電抗元件與電阻串聯(lián)比基本型具有額外的匹配改善。對于寬帶有耗匹配MOSFET高功率放大器，最好使用串聯(lián)集中參數(shù)電感，本設(shè)計使用的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在電阻上并聯(lián)一個電容可以在頻帶的高端提升功率增益。

1．4 寬帶阻抗匹配電路

在利用有耗匹配網(wǎng)絡(luò)使增益平坦，同時解決穩(wěn)定問題后，就需要把管子的輸入和輸出阻抗匹配到50 Ω，這就要用到寬帶的阻抗匹配電路了。在設(shè)計輸入阻抗匹配電路時需要考慮穩(wěn)定、增益、增益平坦、輸入駐波比等，在輸出匹配電路設(shè)計時需要考慮諧波抑制、輸出駐波比、損耗等，在設(shè)計輸出匹配電路之前，要仔細分析是按最大功率輸出還是額度功率輸出來選擇輸出阻抗參數(shù)，以便于得到需要的輸出功率。在設(shè)計中，選擇微帶和電容組合的混合匹配電路，電路結(jié)構(gòu)為n個r型電路串聯(lián)而成。

2 寬帶功率放大器的設(shè)計仿真及優(yōu)化