北斗系統(tǒng)射頻功率放大器的研究與設(shè)計(jì)

王鐘

【摘要】 本文設(shè)計(jì)了一款可應(yīng)用于我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的單片微波集成功率放大器。該功率放大器基于臺(tái)灣WIN半導(dǎo)體公司的InGaP/GaAs 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（HBT）器件Q360模型，仿真結(jié)果表明，其在1.5—1.7GHz的工作頻率范圍內(nèi)，小信號(hào)增益穩(wěn)定在40dB左右，輸入輸出反射系數(shù)均在-10dB以下，P1dB輸出功率為35dBm，大信號(hào)功率增益達(dá)到36.5dB，效率附加效率（PAE）達(dá)到56%，可滿足我國(guó)北斗系統(tǒng)的常規(guī)應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 功率放大器 InGaP/GaAs HBT 小信號(hào)增益 P1dB輸出功率

一、引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“北斗系統(tǒng)”）是我國(guó)自行研究與設(shè)計(jì)開發(fā)的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是繼美國(guó)的Global Positioning System（GPS）、俄羅斯的GLONASS之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]。

射頻功率放大器是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(gè)北斗系統(tǒng)的性能。隨著北斗系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是其獨(dú)特的雙向通訊技術(shù)，對(duì)應(yīng)用于其射頻端的功率放大器的研究已成為一個(gè)極為重要的課題，也是近年來國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

目前，應(yīng)用在北斗系統(tǒng)中的功率放大器大多是由3-4個(gè)放大器級(jí)聯(lián)組成的[2]，面積較大且電路復(fù)雜成本較高，本文設(shè)計(jì)的單片微波集成功率放大器，大大簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)射頻功率放大器的電路結(jié)構(gòu)。本文基于臺(tái)灣WIN半導(dǎo)體公司的InGaP/GaAs 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（HBT）器件Q360模型，采用美國(guó)AWR公司的Microwave office微波仿真軟件，仿真結(jié)果表明，該功率放大器在1.5-1.7GHz的工作頻率范圍內(nèi)，小信號(hào)增益S21穩(wěn)定在40dB左右，輸入反射系數(shù)S11、輸出反射系數(shù)S22均在-10dB以下。工作頻率為1.6GHz時(shí)對(duì)應(yīng)的P1dB輸出功率為35dBm，大信號(hào)功率增益達(dá)到36.5dB，效率附加效率（PAE）穩(wěn)大于50%，可為北斗系統(tǒng)功率放大器的研究者們提供一定的參考。

二、電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的射頻功率放大器由三級(jí)基本放大電路構(gòu)成每一級(jí)電路均是共射極放大電路。在第一級(jí)的輸入端有一個(gè)T型的LC高通匹配電路，可使整個(gè)功率放大器的輸入阻抗值與50歐姆匹配；級(jí)與級(jí)之間亦采用了LC高通T型匹配電路，每一級(jí)之間達(dá)到了完全匹配。

為了提高整個(gè)功放的線性度與穩(wěn)定度，本電路在第一級(jí)放大器的基極與集電極之間增加了一個(gè)RC串聯(lián)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(shè)計(jì)的功率放大器采用獨(dú)有的電流鏡結(jié)構(gòu)的基極偏置電路（如圖2所示），具有良好的溫度自適應(yīng)特性，可以充分提高放大器的線性度與穩(wěn)定性。其中，第一級(jí)和第二級(jí)放大電路采用同一個(gè)基極直流偏置，可有效節(jié)省芯片面積。

三、仿真結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的北斗功率放大器使用美國(guó)AWR公司的Microwave office微波仿真軟件，采用臺(tái)灣WIN半導(dǎo)體公司的InGaP/GaAs異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管器件Q360模型，仿真設(shè)計(jì)圖如圖3所示。其中，第一級(jí)放大電路由8個(gè)Q360器件構(gòu)成，集電極電流Ic為60mA，小信號(hào)增益S21約為12dB；第二級(jí)放大電路由16個(gè)Q360器件構(gòu)成，集電極電流Ic為120mA，S21約為17dB；第三級(jí)放大電路由32個(gè)Q360器件構(gòu)成，集電極電流Ic為360mA，S21約為15dB。由于級(jí)與級(jí)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(jīng)過仿真調(diào)試，該功率放大器的小信號(hào)S參數(shù)仿真結(jié)果，該功率放大器在1.5-1.7GHz的工作頻率范圍內(nèi)，增益S21基本保持在40dB左右，且始終大于40dB，輸入反射系數(shù)S11、輸出反射系數(shù)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(hào)功率的增加，輸出端的各項(xiàng)參數(shù)變化范圍。在工作頻率為1.6GHz時(shí)，該功放的P1dB輸出功率為35dBm，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的大信號(hào)功率增益為36.5dB，效率附加效率（PAE）達(dá)到56.8%，穩(wěn)大于50%，是一款可應(yīng)用于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能優(yōu)越的射頻功率放大器。

四、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的射頻功率放大器將基本的電路結(jié)構(gòu)集成在GaAs襯底上，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有效簡(jiǎn)化了通信系統(tǒng)中射頻電路的結(jié)構(gòu)與布局。仿真結(jié)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(xiàng)性能良好，P1dB輸出功率達(dá)到35dBm（3.2W），可滿足我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的常規(guī)應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 楊元喜. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展、貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào)，2010，（01）：1-6

[2] 楊華煒. 基于ADS的多級(jí)功率放大器設(shè)計(jì)與仿真[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，（07）：173-176