北斗系統射頻功率放大器的研究與設計

王鐘

【摘要】 本文設計了一款可應用于我國北斗衛星導航系統的單片微波集成功率放大器。該功率放大器基于臺灣WIN半導體公司的InGaP/GaAs 異質結雙極型晶體管（HBT）器件Q360模型，仿真結果表明，其在1.5—1.7GHz的工作頻率范圍內，小信號增益穩定在40dB左右，輸入輸出反射系數均在-10dB以下，P1dB輸出功率為35dBm，大信號功率增益達到36.5dB，效率附加效率（PAE）達到56%，可滿足我國北斗系統的常規應用。

【關鍵詞】 北斗衛星導航系統 功率放大器 InGaP/GaAs HBT 小信號增益 P1dB輸出功率

一、引言

北斗衛星導航系統（簡稱“北斗系統”）是我國自行研究與設計開發的全球衛星定位與通信系統，是繼美國的Global Positioning System（GPS）、俄羅斯的GLONASS之后第三個成熟的衛星導航系統[1]。

射頻功率放大器是北斗衛星導航系統中不可缺少的重要組成部分，功放特性的好壞將直接影響整個北斗系統的性能。隨著北斗系統技術的不斷發展，尤其是其獨特的雙向通訊技術，對應用于其射頻端的功率放大器的研究已成為一個極為重要的課題，也是近年來國內外研究的一個重點和熱點。

目前，應用在北斗系統中的功率放大器大多是由3-4個放大器級聯組成的[2]，面積較大且電路復雜成本較高，本文設計的單片微波集成功率放大器，大大簡化了傳統射頻功率放大器的電路結構。本文基于臺灣WIN半導體公司的InGaP/GaAs 異質結雙極型晶體管（HBT）器件Q360模型，采用美國AWR公司的Microwave office微波仿真軟件，仿真結果表明，該功率放大器在1.5-1.7GHz的工作頻率范圍內，小信號增益S21穩定在40dB左右，輸入反射系數S11、輸出反射系數S22均在-10dB以下。工作頻率為1.6GHz時對應的P1dB輸出功率為35dBm，大信號功率增益達到36.5dB，效率附加效率（PAE）穩大于50%，可為北斗系統功率放大器的研究者們提供一定的參考。

二、電路設計

本文設計的射頻功率放大器由三級基本放大電路構成每一級電路均是共射極放大電路。在第一級的輸入端有一個T型的LC高通匹配電路，可使整個功率放大器的輸入阻抗值與50歐姆匹配；級與級之間亦采用了LC高通T型匹配電路，每一級之間達到了完全匹配。

為了提高整個功放的線性度與穩定度，本電路在第一級放大器的基極與集電極之間增加了一個RC串聯支路。電源偏置電路是所有射頻功率放大器不可或缺的電路單元，本文設計的功率放大器采用獨有的電流鏡結構的基極偏置電路（如圖2所示），具有良好的溫度自適應特性，可以充分提高放大器的線性度與穩定性。其中，第一級和第二級放大電路采用同一個基極直流偏置，可有效節省芯片面積。

三、仿真結果

本文設計的北斗功率放大器使用美國AWR公司的Microwave office微波仿真軟件，采用臺灣WIN半導體公司的InGaP/GaAs異質結雙極型晶體管器件Q360模型，仿真設計圖如圖3所示。其中，第一級放大電路由8個Q360器件構成，集電極電流Ic為60mA，小信號增益S21約為12dB；第二級放大電路由16個Q360器件構成，集電極電流Ic為120mA，S21約為17dB；第三級放大電路由32個Q360器件構成，集電極電流Ic為360mA，S21約為15dB。由于級與級之間存在不可避免的增益衰減，該功率放大器總體增益約在40dB左右。

經過仿真調試，該功率放大器的小信號S參數仿真結果，該功率放大器在1.5-1.7GHz的工作頻率范圍內，增益S21基本保持在40dB左右，且始終大于40dB，輸入反射系數S11、輸出反射系數S22均在-10dB以下，具有良好的反射隔離效果。

北斗功率放大器隨輸入信號功率的增加，輸出端的各項參數變化范圍。在工作頻率為1.6GHz時，該功放的P1dB輸出功率為35dBm，對應點的大信號功率增益為36.5dB，效率附加效率（PAE）達到56.8%，穩大于50%，是一款可應用于北斗衛星導航系統的性能優越的射頻功率放大器。

四、結論

本文設計的射頻功率放大器將基本的電路結構集成在GaAs襯底上，電路結構簡單，有效簡化了通信系統中射頻電路的結構與布局。仿真結果表明，該射頻功率放大器在1.5-1.7GHz的工作頻率范圍各項性能良好，P1dB輸出功率達到35dBm（3.2W），可滿足我國北斗衛星導航系統的常規應用。

參 考 文 獻

[1] 楊元喜. 北斗衛星導航系統的進展、貢獻與挑戰[J]. 測繪學報，2010，（01）：1-6

[2] 楊華煒. 基于ADS的多級功率放大器設計與仿真[J]. 現代電子技術，2012，（07）：173-176