基于TQP7M9105的超寬帶功率放大器優化設計

劉 洋 王治國 李燕南

空軍通信士官學校，遼寧 大連 116600

基于TQP7M9105的超寬帶功率放大器優化設計

劉 洋 王治國 李燕南

空軍通信士官學校，遼寧 大連 116600

超寬帶功率放大器是寬帶微波發射系統的重要組成部分。基于TQP7M9105，設計工作頻率為400～8000 MHz，帶寬為400 MHz的超寬帶功率放大器。經仿真優化給出了具體電路和參考參數，并為超寬帶功率放大器的研制提供參考價值，也具有較大的工程參考依據。

功率放大器；阻抗匹配；超寬帶；功率增益

1 緒論

隨著無線通信技術的飛速發展，寬帶功率放大器應用越來越廣泛，在移動電話、衛星通信網、無線通信、通信技術及毫米波自動防撞系統等領域有著廣闊的應用前景。隨著光電的發展，在光傳輸過程中，寬帶功率放大器是系統的重要部分。

本文基于TQP7M9105對超寬帶功率放大器的設計進行了研究，提出了一個較為完善的研究路線。以S參數為基礎，分析放大器的基本設計要素，如穩定性、增益和增益平坦度等。然后用ADS軟件實際進行寬帶匹配網絡的設計，最后完成帶寬為200 MHz的超寬帶功率放大器的設計和測試結果，并對設計結果的準確性進行驗證[1]。

2 基于TOP7M9105的超寬帶功率放大器的優化設計

2.1 功率放大器的技術指標要求

本次設計的基于TQP7M9105的超寬帶功率放大器，主要技術參數如下：工作帶寬400～800 MHz，帶寬為400 MHz，穩定系數＞1，增益＞18 dB，晶體管為TQP7M9105，其供電電壓為+5 V，其可工作的頻率為50～1500 MHz。

2.2 超寬帶功率放大器的結構框圖

圖1為超寬帶功率放大器的結構圖。為了使傳輸的增益最大，在輸入匹配和輸出匹配網絡的設計過程中，采用了同時共軛匹配的方法。

圖1 超寬帶功率放大器的結構圖

當放大器設計好后，需要通過仿真，檢驗性能指標是否達到設計性能要求。在進行仿真時，需要利用到TQP7M9105的S參數。其中晶體管S參數可以從廠家網站下載，即S2P格式文件。本晶體管正常工作電壓+5 V，電流200 mA，工作頻帶50～1500 MHz。當晶體管工作在950 MHz時，增益為+47 dBm。

阻抗匹配已經成為射頻電路以及最大功率傳輸系統中的基本部件。為了使寬帶射頻功率放大器的輸入、輸出達到最佳的功率匹配。匹配電路的設計成為射頻功率放大器的重要任務。匹配電路設計分為兩個部分：一部分是輸入匹配的設計；另一部分是輸出匹配電路的設計。設計過程可以通過ADS軟件進行仿真，觀察S11和S22參數，看輸入、輸出匹配電路是否達到設計的要求。要使超寬帶功率放大器工作在絕對穩定的狀態下，則必須設計合適的輸入、輸出匹配電路[2]。

2.3 設計流程

2.3.1 TQP7M9105的簡介

TQP7M9105是TriQuint第三代5 V線性驅動放大器的最新產品。可提供1 W（+30 dBm）的P1 dB射頻輸出功率，增益為19.4 dB，輸出三階交調截取點（OIP3）為達到同類產品最高線性度的49 dBm，在+5 V電壓下耗電僅為220 mA。

2.3.2 輸入匹配電路

輸入匹配電路是本次設計的重點。輸入匹配做不好將會影響管子的效率，甚至有可能導致管子無法正常工作。輸入匹配電路設計方法如下：

（1）在原理圖窗口中元器件庫列表→ Date Items→S2P，將其放入原理圖，然后在元器件庫中選擇Simulation_s_parm→Term添加到原理圖中；在工具欄中選擇兩個接地圖標添加到原理圖中，并將S-parmeters和Zin也添加到原理圖，并用導線相互連接。本電路圖的主要作用是用來確定管子的輸入阻抗和輸出阻抗。通過此電路圖確定管子輸入阻抗為2.1-j*1Ω。

（2）運用史密斯圓圖進行輸入匹配電路的設計。在元件面板列表中選擇Smith Chart Matching，然后從面板中調出匹配控件建立電路。在工具欄中選擇Tool→Smith Chart Utility，在Smith Chart Utility中進行電路匹配，設計符合要求的輸入匹配電路，最后在DA_Smith Chart Match1中生成電路圖。通過仿真發現此電路帶寬不是很寬，因此需要改進。通過并聯一些電容來降低電路品質因數，增加電路帶寬，經過改進后，最終得出電路圖。

（3）最終輸入匹配電路測試發現，在400～800 MHz的頻帶范圍內，S11小于－5 dB。這表明輸入端反射回來的能量比較少，即輸入匹配電路設計比較好，符合本次設計的要求。

2.3.3 輸出匹配電路的設計

輸出匹配電路應具備損耗低，駐波比良好，諧波抑制度高，輸出功率高及非線性良好等功能。輸出匹配設計方法如下：

（1）電路測的管子的輸出阻抗為139+j*3Ω。

（2）運用史密斯原圖進行輸出匹配電路的設計。在元件面板列表中選擇Smith Chart Matching，然后從面板中調出匹配控件，建立電路。在工具欄中選擇Tool→Smith Chart Utility，在Smith Chart Utility中進行電路匹配，設計符合要求的輸入匹配電路，最后在DA_Smith Chart Match1中生成電路。

（3）最終輸出匹配電路圖的仿真結果如圖2所示。通過對最終電路進行仿真，可輸出匹配電路的S11和S21參數值的曲線圖。S參數的值可以看出在300～800 MHz頻率范圍內，S11小于零且其值都在－5 dB以下，表明輸出匹配電路性能較好，符合設計的要求。

2.3.4 輸入和輸出匹配做好后的最終原理圖

將輸入匹配電路圖封裝在X1中，輸出匹配電路圖封裝在X2中，形成最終原理圖。將輸入和輸出匹配封裝后的電路圖[3]。封裝目的主要使電路圖在原理圖中顯得簡潔直觀，也使測試電路圖在原理圖中顯得不是那么復雜。X1中封裝的是輸入匹配電路圖，X2中封裝的是輸出匹配電路圖。

3 印制電路版圖及最終實物

對設計電路的加工版圖進行加工，加工的電路見圖2，電路中焊接了必要的電容、放大器芯片以及偏執電壓線等。對電路的增益進行測試，實際測試結果見圖3。

圖2 實物電路圖

圖3 實物電路測試結果

根據圖3的測試結果，可以看出，電路測試設計的400～800 MHz的寬頻帶內增益的平坦度實現較好，在500 MHz頻率附近有稍許下降，通過后期的調試，對并聯電容的連接位置進行調節，可能會進一步改善增益平坦度。通過本次設計，證實了本文提出的通過并聯接入電容，降低電路品質因數以增加放大器設計帶寬的可能性。驗證電路設計比較成功。

4 結語

本文基于TQP7M9105的超寬帶功率放大器設計，工作在400～800 MHz頻率范圍內，帶寬為400 MHz，增益約為19 dB的超寬帶功率放大器基本達到了預設的要求。

[1]朱剛.超寬帶原理與干擾[M].北京：清華大學出版社，2009.

[2]王金龍，王呈貴，闞春榮.無線超寬帶電通信原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[3]南敬昌，馮永生，劉元安.L波段小信號放大器ADS設計與仿真[J].微波學報，2007（23）：143-147.

Optimal Design of Ultra Wideband Power Amplifier Based on TQP7M9105

Liu Yang Wang Zhiguo Li Yannan
Air Force Communications Sergeant Academy, Liaoning Dalian 116600

Ultra wideband power amplifier is an important part of broadband microwave transmitting system. Based on TQP7M9105, an ultra wideband power amplifier with a working frequency of 400 to 8000 MHz and a bandwidth of 400 MHz are designed. Through simulation and optimization simulation, the specific circuit and reference parameters are given, which provides reference value for the development of ultra wideband power amplifier, and also has great engineering reference.

power amplifier; impedance matching; ultra wideband; power gain

TN722.75

A

1009-6434（2017）7-0006-02