低諧波S波段GaN功放設(shè)計

劉益萍，曹衛(wèi)平

(桂林電子科技大學(xué) 天線與射頻研究中心，廣西 桂林 541004)

0 引言

功率放大器作為通信系統(tǒng)中的重要組成部分，被廣泛運(yùn)用在雷達(dá)、衛(wèi)星通信和導(dǎo)航系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域中[1]。近年來，LDMOS器件物理上已經(jīng)接近特性極限，而GaN器件從進(jìn)入市場后技術(shù)越發(fā)成熟，且產(chǎn)業(yè)化發(fā)展后其成本也在逐步降低，GaN技術(shù)將逐漸取代LDMOS技術(shù)[2]。由于具備高功率密度、寬頻帶、高耐壓、輸入功率穩(wěn)定、能減少零件尺寸和數(shù)量的優(yōu)良特性[3]，受到功率放大器和無線基礎(chǔ)設(shè)施等市場的青睞，成為大功率應(yīng)用市場的主流技術(shù)。高效率的功率放大器能夠減少系統(tǒng)發(fā)熱量，降低系統(tǒng)的散熱需求。因此，提高功率放大器的效率一直是功放研究的熱點(diǎn)之一[4]。

介紹了一種基于GaN功放管的S波段功率放大器。通過采用諧波抑制技術(shù)，功放模塊在常態(tài)連續(xù)波輸出功率達(dá)5 W時，三階互調(diào)可達(dá)-45 dBc，效率達(dá)到35%，二階及三階諧波抑制度達(dá)到-51 dBc。為滿足系統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃要求，功放結(jié)構(gòu)經(jīng)過小型化處理，工程實(shí)用性極強(qiáng)。

1 諧波抑制技術(shù)

諧波抑制技術(shù)是通過控制諧波阻抗來調(diào)諧功放漏級電壓電流，避免漏級電壓與電流重疊從而提高功放效率的辦法[5]。一方面，能通過引入λmnd/4開路枝節(jié)[6]，在m次諧波頻率下，經(jīng)λ/4變換在電路連接點(diǎn)處呈短路特性，從而抑制諧波成分的產(chǎn)生；另一方面，將匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計成低通結(jié)構(gòu)或者帶通結(jié)構(gòu)的形式，也能夠?qū)獾闹C波成分產(chǎn)生一定的濾除作用。通過引入諧波抑制技術(shù)，能有效減少功放輸出信號中的諧波成分，從而減少對其他信道的信號干擾，同時也能夠減少分配在諧波成分上的功率值，減少諧波能量損耗[7]從而提高系統(tǒng)效率。

2 功放電路設(shè)計

2.1 整體設(shè)計思路

功率放大器設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，GaN功放管在給定合適的偏置條件及穩(wěn)定條件后，通過輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)使電路滿足性能指標(biāo)，為使電路達(dá)到低輸出諧波要求，在輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中加入了諧波抑制措施。

圖1 功率放大器結(jié)構(gòu)

2.2 偏置電路設(shè)計

本設(shè)計選用Cree公司[8]的GaN功放管進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計中需要合適的直流偏置以保證管子正常工作，且最大輸出功率能達(dá)到指標(biāo)。同時，GaN采用負(fù)壓進(jìn)行柵極電壓偏置，整機(jī)供電設(shè)計中需嚴(yán)格遵守GaN功率管上電掉電時序[9]，以保證管子安全工作。上電時序依次為：加?xùn)艠O負(fù)偏壓，加漏級偏壓，再加信號；掉電時序依次為：關(guān)斷信號，關(guān)斷漏級偏壓，最后關(guān)斷柵極負(fù)偏壓。

2.3 穩(wěn)定性分析處理

由于射頻放大器內(nèi)部通常都存在著一定的反饋量S12，而反饋系統(tǒng)必然會引起穩(wěn)定性問題(如自激振蕩)。K值穩(wěn)定性判別法[10]是一種簡潔高效的雙端口反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性判別法。雙端口網(wǎng)絡(luò)絕對穩(wěn)定條件為：

(1)

提高放大器穩(wěn)定性的辦法有中和法和失配法[11]，通過減小管子的反饋強(qiáng)度，使管子趨向單向化。本設(shè)計采用中和法，通過在功放管柵極端串入電阻電容，犧牲部分增益來達(dá)到增益穩(wěn)定條件。仿真電路如圖2所示，通過在柵極端口前串入100 Ω電阻及3.9 pF的補(bǔ)償電容，使得系統(tǒng)在寬帶范圍內(nèi)滿足穩(wěn)定條件，如圖3所示。

圖2 穩(wěn)定性仿真電路

圖3 穩(wěn)定性仿真結(jié)果

2.4 負(fù)載牽引法選取特性阻抗點(diǎn)

負(fù)載牽引法[12]是功放管在大信號電平激勵下，通過不斷調(diào)節(jié)輸入輸出端接的阻抗值，掃描得到器件的功率負(fù)載線、效率負(fù)載線，從而可以根據(jù)需求找到對應(yīng)的輸入輸出阻抗。本設(shè)計中，將功放管與穩(wěn)定電路視為整體，通過負(fù)載牽引工具[13]，得到負(fù)載牽引結(jié)果如表1，從中選取最佳效率點(diǎn)對應(yīng)的輸入輸出阻抗值進(jìn)行設(shè)計。

表1 負(fù)載牽引仿真結(jié)果

特性點(diǎn)負(fù)載阻抗輸入阻抗輸出功率/dBm效率/%最大功率點(diǎn)11.21+j8.2734.86+j0.3640.9962.19最佳效率點(diǎn)10.88+j16.697.68-j31.0539.4471.18

2.5 輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

通過負(fù)載牽引法確定輸入輸出阻抗后，需通過共軛匹配的方式進(jìn)行輸入輸出阻抗匹配以獲得仿真所呈現(xiàn)的工作特性。

功放電路輸入信號來自前級線性預(yù)放，系統(tǒng)在輸出功率接近極限值的情況下，線性預(yù)放輸出功率接近1 dB壓縮點(diǎn)，導(dǎo)致輸入末級功放的信號中伴隨有部分諧波成分，因此需在功放輸出匹配中加入諧波抑制枝節(jié)進(jìn)行諧波抑制。引入諧波抑制技術(shù)后，功放整體電路原理圖如圖4所示。輸入輸出匹配電路傳輸特性如圖5所示，從輸入匹配電路傳輸特性(圖5中S31)、輸出匹配電路傳輸特性(圖5中S42)可以看出，匹配電路對二階及三階諧波有極大的濾除作用。

圖4 功放電路設(shè)計原理

圖5 輸入輸出匹配電路傳輸特性

2.6 聯(lián)合仿真及仿真結(jié)果

根據(jù)圖4功放電路設(shè)計原理圖，進(jìn)行實(shí)際的電路搭建。將理想微帶線、RLC用微帶線、實(shí)際阻容感模型替換，并將部分長線彎折以滿足結(jié)構(gòu)要求，對電路進(jìn)行二次優(yōu)化仿真[14]。優(yōu)化后得到的電路版圖如圖6所示。

圖6 功放電路版

對電路版圖進(jìn)行Momentum電磁仿真[15]，將功放管與實(shí)際的阻容感模型文件[16]代入仿真得到的多端口版圖模型文件中進(jìn)行聯(lián)合仿真。由于電磁仿真會考慮到微帶線之間的耦合效應(yīng)[17]，聯(lián)合仿真結(jié)果與原理圖仿真會存在一定偏差，聯(lián)合仿真結(jié)果將更加接近電路的實(shí)際物理特性。聯(lián)合仿真結(jié)果如圖7、圖8和圖9所示。

圖7 功放輸入輸出特性聯(lián)合仿真結(jié)果

圖8 功放頻率特性聯(lián)合仿真結(jié)果

圖9 功放諧波抑制特性聯(lián)合仿真結(jié)果

從聯(lián)合仿真結(jié)果來看，功放模塊具有17.5 dB的線性增益，在1 dB點(diǎn)處P1dB=41.6 dBm，此時仍有-35 dBc的二階諧波抑制度，效率達(dá)到61%。通過引入二階、三階諧波抑制枝節(jié)，提高了功放的諧波抑制能力，同時使得功放呈現(xiàn)出一定的頻率選擇特性。

3 實(shí)測結(jié)果及分析

電路板加工調(diào)試后，功放部分實(shí)物如圖10所示，實(shí)測特性如圖11和圖12所示。

圖10 功放電路實(shí)物

測試結(jié)果顯示，功放模塊有約17.1 dB的線性增益，效率特性與仿真差距不大，但是1 dB壓縮點(diǎn)減小，約39 dBm處，此時諧波特性隨著增益的壓縮急速變差。增益壓縮與仿真具有一定差距，原因應(yīng)該是系統(tǒng)整版依靠金屬外殼散熱，在輸出功率接近極限值時，金屬外殼散熱結(jié)構(gòu)不足以把功放管產(chǎn)生的大量熱量發(fā)散出去，導(dǎo)致功放增益提前開始壓縮[18]。實(shí)測諧波特性較仿真特性更優(yōu)，且對二次諧波的抑制非常明顯。

圖11 功放實(shí)測輸入輸出特性

圖12 功放實(shí)測諧波抑制特性

4 結(jié)束語

本文介紹了一種S波段的諧波抑制功放，通過引入諧波抑制枝節(jié)，功放模塊顯示出了優(yōu)良的諧波抑制特性。由于散熱結(jié)構(gòu)非最佳，功放管提前進(jìn)入增益壓縮區(qū)，1 dB功率點(diǎn)下降。設(shè)計面向?qū)嶋H工程應(yīng)用，對電路結(jié)構(gòu)亦進(jìn)行了相應(yīng)的小型化處理，具備較強(qiáng)的可移植性及一定的市場應(yīng)用價值。

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