基于改進簡化實頻技術的超寬帶功率放大器設計

劉國華 周國祥 郭燦天賜 程知群

(杭州電子科技大學射頻電路與系統教育部重點實驗室 杭州 310018)

1 引 言

無線通信基礎設施的復雜性、通信標準和頻率分段的日益增加，對功率放大器的效率和工作帶寬提出了更高的要求[1]。隨著5G通信的到來，收發機系統一直朝著低能耗、高效率和寬頻帶的方向飛速發展[2]。而匹配電路作為功率放大器的關鍵部分，其設計性能直接決定了功放的效率、帶寬和功率等技術指標。因此，寬帶匹配電路的設計是寬帶功放設計的主要任務。

目前，設計者們對高效率功放帶寬的擴展，通常采用連續類思想[3，4]來實現。連續類思想的功放通過增加諧波控制因子，擴大了最優阻抗解空間，但由此增加了匹配電路設計的難度。另外，設計者采用混合類[5—8]的諧波控制網絡，在不同的頻點下使功放分別工作在不同的類別(J/F/F—1)，拓展了功放的帶寬，但與此同時也會增加電路的復雜性。濾波結構的阻抗匹配網絡也被應用到功放的寬帶匹配網絡設計中[9，10]，該方法不僅要保證功放的工作頻率在通帶內，而且過渡帶的衰減速度問題也是設計的難點。1977年，實頻法由Carlin首先提出，它是一種基于線性分段近似逼近最佳特性的網絡綜合方法[11]，為寬帶匹配網絡設計提供了新的途徑。1982年，Yarman在原始實頻法的基礎上，對算法進行了改進，提出了簡化實頻算法[12]。后來，該算法與電路設計相結合并被使用到功放的設計上[13]，盡管可以設計出寬頻帶電路，但是要實現性能良好的多倍頻程寬帶電路還是有一定的困難。

為了進一步拓展帶寬，本文使用GaN HEMT(氮化鎵材料工藝，使得器件輸出功率水平可以得到大幅提高[14])晶體管器件，基于改進的簡化實頻算法，結合負載牽引技術，對功放的寬帶匹配網絡進行設計優化，完成了一款覆蓋多個移動通信頻段的超寬帶功率放大器的設計。

2 簡化實頻法理論分析

2.1 傳統簡化實頻法

圖1所示為用散射參數表示的匹配網絡。實頻法將無耗的二端口網絡用S參數表示

其中，n代表了網絡中的元件數。h(s)與g(s)是n項的赫爾維茲多項式。

其他匹配網絡的散射參數可表示為

通過無耗原則，得到g與h的關系。可以將傳輸功率增益(Transducer Power Gain， TPG)表示為

在整個頻段內，盡可能的優化TPG，使其接近于設置的優化目標T，依據兩者差值作為優化的誤差函數。

2.2 改進的簡化實頻法

實驗表明，在一個跨多倍頻的帶寬范圍內，晶體管負載牽引最優阻抗數據波動較大，簡化實頻法使頻帶內所有頻點優化到目標TPG是有困難的。因此傳統的實頻技術在多倍頻上實現寬帶匹配有局限性。針對上述傳統實頻技術的問題，本文對優化算法進行改進，在優化TPG的基礎上，結合負載牽引技術對阻抗的分布規律進行分析，使阻抗呈圓形狀分布于中心頻點周圍，可以在更寬的工作頻帶下發揮晶體管的潛能。

圖1 散射參數的匹配網絡

通過負載牽引技術得到晶體管負載的寬頻各點的最優阻抗值，最優阻抗大致分布在一個區域內，選取中心頻率點阻抗(Zcy+j·Zcx)與最邊緣頻點的阻抗(Zsy+j·Zsx)的虛部與實部的差值作為優化目標Zx和Zy

建立阻抗的誤差函數

建立TPG的誤差函數

其中，T(s)為設計出寬帶匹配網絡的傳輸功率增益(TPG); T0為初始設置的傳輸功率增益(TPG)優化目標。

使用最小二乘法對匹配電路的Terror(s)和負載阻抗Zerr同時優化，使TPG誤差函數值盡可能趨近于0的同時，保證阻抗誤差函數的值趨近于1，最終可以得到一個跨多倍頻程的寬帶匹配電路。由于負載牽引選取的是最優PAE軌跡，最終也會提升功率放大器電路的整體效率。

3 超寬帶功率放大器的設計

在先進設計系統(Advanced Design System，ADS) 軟件中，對晶體管的輸出負載端進行負載牽引，獲取0.5～2.7 GHz范圍內10個頻點的最優阻抗值，如表1所示。

將10個頻點的最優阻抗值作為簡化實頻法的輸入數據，進行寬帶匹配網絡的設計與優化。通過簡化實頻法得出了輸出匹配網絡的h與g具體表達式

將得到的h與g表示出匹配網絡的傳遞函數，對其使用長除法進行變形，得到式(13)，式中變量S的系數就是所設計的LC結構

表1 各個頻點下的最優阻抗值

圖2所示為簡化實頻法得到的輸出匹配電路，其是由集總參數的LC結構組成。集總參數寬帶匹配網絡還需要轉換為微帶拓撲結構，將利用到Richard和Kiruoda法則對其進行變換，對其適當的優化修正即可，優化得到的電路如圖3所示。空心三角表示了晶體管負載最優阻抗的變化趨勢，實心方塊代表了變換后輸出匹配的輸入阻抗值的變化趨勢。可以發現，實心方塊曲線是圍繞著中心阻抗點Z為圓心，呈現順時針圓的趨勢進行變化，優化的結果與實頻法預想的結果相符合。表明優化的匹配電路可以在寬頻帶內實現匹配。

對圖3所示的寬帶匹配電路進行S參數仿真得到的結果如圖4所示。在目標頻段范圍內，S11均小于10 dB， S21也趨向于0 dB，展現了良好的寬帶特性，也驗證了方法的可行性。功放的輸入匹配電路采用階躍式的匹配結構，在ADS中進行仿真優化。將偏置電路與輸入、輸出匹配網絡放入到整個電路中，得到的整體拓撲結構如圖5所示。

圖2 簡化實頻法得到的輸出匹配電路

圖3 晶體管負載數據和輸出匹配網絡

4 實現與測試結果

前面利用電路仿真軟件對提出的超寬帶功率放大器進行了設計，驗證了所提改進的簡化實頻算法的可行性。為進一步驗證所提出方案的正確性，基于Cree公司的CGH40010F晶體管，采用Rogers4350B基板(H=0.76 mm， εr=3.66)對所設計的超寬帶功率放大器進行了實物加工測試。其中，柵極和漏極的直流偏置電壓分別為：VG=—2.7 V， VD=28 V。

對功放電路進行小信號測試，仿真與測試結果如圖6所示。從圖6中可以看出，在頻帶范圍內，S21小信號增益最大14 dB。大信號測試結果如圖7所示。在0.5～2.7 GHz頻段內，輸出功率為40.4～42.5 dBm，漏極效率為 64% ～75%，增益為 10～12.3 dB。

表2 是本文所設計的功放與近幾年同類文獻中的相關功放在主要技術指標上的對比，功率器件均采用氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN High Electron Mobility Transistor， HEMT) 器件。在工作帶寬方面，本文設計的功放相對帶寬為137%，高于其它文獻中的帶寬指標，不僅展示出了良好的寬帶特性，而且在效率上也有優勢。

5 結論

圖4 匹配電路的S參數仿真結果

圖5 整體拓撲結構

圖6 小信號仿真與測試結果

圖7 漏極效率、輸出功率和增益仿真與測試結果

表2 本文與近幾年論文中功放主要指標對比

本文基于改進的簡化實頻技術，采用Cree公司的GaN HEMT器件設計了一款可以覆蓋多個頻段的超寬帶功率放大器。通過將傳統簡化實頻技術與負載牽引的技術結合，在原有TPG優化的基礎上，進一步完成阻抗特定區域的匹配，以實現功放的寬帶化。實測結果顯示，在0.5～2.7 GHz頻帶內，所設計的功放輸出功率為40.0～42.5 dBm，漏極效率達到 64%～75%。實物測試結果表明了本文將寬帶匹配算法應用于功放的設計，不僅擴展了其工作帶寬，還適當提高了功放的效率，綜合指標取得了較好的效果。