寬帶功率放大器的仿真設(shè)計(jì)研究

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 杜 浩 劉雪峰 宋海濤

0.概述

無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)頻段利用效率提出了更高要求。無線通信裝備中重要的組成部分功率放大器，其帶寬要求達(dá)到3倍頻程。為了解決超寬帶微波功放面臨的技術(shù)瓶頸，通過寬帶匹配技術(shù)仿真設(shè)計(jì)寬帶功放。在寬帶功放的設(shè)計(jì)過程中，要對(duì)功率管的輸出能力進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，通常在實(shí)物設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)功放電路進(jìn)行仿真，目前常用ADS進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

1.功放設(shè)計(jì)

寬帶功放主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)是幅頻特性設(shè)計(jì)，功放在不同頻率的增益不同，需要在設(shè)計(jì)時(shí)通過匹配補(bǔ)償?shù)仍O(shè)計(jì)手段補(bǔ)償增益平坦度。匹配補(bǔ)償技術(shù)原理是在放大器級(jí)間引入匹配電路，目的是降低帶內(nèi)高增益的地方，使得放大器整體增益在要求帶寬內(nèi)盡量平坦。通常可以在匹配電路中采用電阻的方式來實(shí)現(xiàn)，利用微帶短路線的阻抗變換作用，降低高增益的頻段的增益，獲得較寬信號(hào)帶寬。

同時(shí)，對(duì)于寬帶阻抗匹配設(shè)計(jì)，可以在放大器阻抗匹配是采用多節(jié)λ/4支節(jié)、漸變傳輸微帶線、低Q多級(jí)匹配等方法實(shí)現(xiàn)。

漸變線傳輸微帶線匹配，是一種特性阻抗連續(xù)變化的設(shè)計(jì)，等效于多節(jié)阻抗變換線在長(zhǎng)度極限小的情況下的一種阻抗變換。發(fā)射系數(shù)為：

由上述公式可知，反射系數(shù)隨著L的增大而變小。可實(shí)現(xiàn)寬帶匹配。

低Q多級(jí)匹配，需要在Smith圓圖內(nèi)畫出等Q線，實(shí)現(xiàn)阻抗自己的匹配。一般需要多級(jí)LC匹配級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)低Q值指標(biāo)。

本設(shè)計(jì)采用sumitomo公司的GaN功率管EGN25C07012，其小信號(hào)S參數(shù)如下所示。

圖1 s參數(shù)

根據(jù)S參數(shù)，需要根據(jù)對(duì)應(yīng)帶寬的阻抗值，采用上述寬帶設(shè)計(jì)方法，來設(shè)計(jì)仿真電路。對(duì)于輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，考慮在需要帶寬內(nèi)有良好的駐波比，數(shù)傳匹配網(wǎng)絡(luò)，主要考慮阻抗匹配，使得放大器輸出功率達(dá)到30W，工作帶寬達(dá)到800MHz～3500MHz。

同時(shí)，對(duì)于功率放大器設(shè)計(jì)，靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)計(jì)尤為重要，本次設(shè)計(jì)將其偏置在AB類工作狀態(tài)，具備較高的線性度。

2.電路仿真

采用ADS來進(jìn)行功放仿真設(shè)計(jì)，將EGN25C07012功率管的特性參數(shù)導(dǎo)入到仿真模型，在小信號(hào)情況下首先對(duì)S參數(shù)進(jìn)行匹配仿真，在放大器輸入和輸出采用寬帶匹配技術(shù)，增加了多支節(jié)匹配技術(shù)和匹配補(bǔ)償技術(shù)。具體仿真電路原理圖如圖2所示。

圖2 ADS功放仿真原理圖

圖3 功放頻譜特性

3.結(jié)果驗(yàn)證

通過ADS的仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要驗(yàn)證功放仿真的頻譜特性，即800MHz～3500MHz帶內(nèi)平坦度和Smith圓圖的阻抗匹配結(jié)果。仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖2仿真結(jié)果可知，寬帶功放的主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)800MHz～3500MHz帶內(nèi)增益平坦度為0.3dB，帶內(nèi)較為平坦，設(shè)計(jì)結(jié)果滿足需求。