0.5～2.5 GHz超寬帶高功率功率放大器設計

鄧方全 周永宏

DOI：10.16246/j.issn.1673-5072.2024.04.013

收稿日期：2023-04-24? 基金項目：西華師范大學國家一般培育項目（19B025）

作者簡介：鄧方全（1997—），男，碩士研究生，主要從事射頻功率放大器研究。

通信作者：周永宏（1979—），男，博士，教授，碩士生導師，主要從事電磁超材料設計與應用、微帶天線等研究。

E-mail：18181114320@163.com

引文格式：鄧方全，周永宏.0.5～2.5 GHz超寬帶高功率功率放大器設計［J］.西華師范大學學報（自然科學版），2024，45（4）：438-443.［DENG F Q，ZHUO Y H.Design of 0.5～2.5 GHz power amplifier with ultra wideband and high power［J］.Journal of China West Normal University （Natural Sciences），2024，45（4）：438-443.］

摘? 要：本文首先對NXP半導體公司生產的MMRF5014H射頻功率氮化鎵晶體管進行源牽引和負載牽引獲取晶體管的源阻抗和負載阻抗，再采用切比雪夫阻抗變換器進行阻抗匹配，設計了一款工作頻率在0.5～2.5 GHz范圍內的超寬帶、高功率、高增益的功率放大器。仿真結果顯示：在工作頻帶內飽和輸出功率范圍為50.09 dBm（102.1 W）～51.53 dBm（142.1 W），增益范圍為10.09～11.66 dB，功率附加效率為 49.61%～65.08%。

關鍵詞：超寬帶；高功率；高增益；功率放大器；阻抗匹配

中圖分類號：TN837??? 文獻標志碼：A??? 文章編號：1673-5072（2024）04-0438-06

射頻功率放大器是組成發射機的重要部分之一。傳統線性功率放大器的工作頻率較高，但其工作帶寬較窄，限制了其應用場景，而寬帶功率放大器由于其寬頻帶特性，可在多頻段上使用，射頻功率放大器的負載回路通常使用選頻網絡來選擇頻率。根據電流導通角度的差異，射頻功率放大器可被歸為三種工作狀態，分別是甲、乙、丙三類（即A、B、C三類）。甲類放大器的電流導通角為360°，晶體管導通通道一直保持開啟狀態，其輸出信號不存在失真，但效率低，通常在30%以下，適用于低功率放大器；乙類放大器的電流導通角為180°，存在較大的失真，但效率較高；丙類放大器的電流導通角則不足180°，失真嚴重，但理論效率可達100%。由于大功率放大器的輸出功率大，若選用效率低的功率放大器，則大部分能量將以熱量的形式散發掉，造成設備發熱，而放大器長期工作在溫度較高的環境下會降低其使用壽命，因此通常選用乙類或丙類等效率較高的放大器進行大功率放大器的設計。但效率和線性度的變化是相反的，獲得高效率的同時也意味著線性度的惡化。

在設計射頻功率放大器時，設計師關心的首要技術指標是輸出功率和效率。因此，在工作頻帶內如何獲得最大輸出功率和效率成為射頻功率放大器設計的首要目標。在射頻功率放大器中，當功率輸出接近飽和，即功率放大器工作在非線性工作狀態時，會加大諧波失真，通常會在電路中加入LC濾波電路來濾除諧波，以實現對信號的無失真放大。此外，為防止諧波分量干擾其他通道，輸出的諧波分量應盡可能小。

在通信系統中，基帶信號經過變頻后往往幅度較小，需要通過功率放大后才能送到天線輻射出去。而隨著技術的快速發展，對通信系統、干擾系統等的帶寬、功率要求在不斷提高，但是功率和帶寬往往難以兼顧［1］。本文在此應用背景下，采用傳統的窄帶放大器（MMRF5014H），通過阻抗匹配的方式，使其帶寬擴至0.52～5 GHz，覆蓋傳統的GSM、導航、軍用數據鏈、雷達、微波能等應用頻段，在獲得高功率的同時，還保證較高的效率和增益，極大地提升了該款芯片的通用性和性價比。

1? 功放管及介質基板

氮化鎵（GaN）材料具有高電子遷移率，可在很大程度上提高半導體的性能。相比于其他材料，以GaN材料制成的功放管可以在更寬的頻帶下擁有更高的增益和更高的效率，而且它的高活化能提供了良好的熱性能，以及更高的擊穿電壓，可承受更高的能量和更加惡劣的環境條件。經過多年的發展，目前第一代半導體材料硅（Si）、鍺（Ge）和第二代半導體材料砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）在輸出功率方面已經達到了極限，輸出功率難以再提高，而GaN半導體具有良好的熱穩定性，可輕松實現高工作脈沖寬度和高工作比，極大地提升了天線單元的發射功率。此外，GaN材料的高溫結和高導熱性等特點，大大提高了器件在不同溫度下的工作可靠性。目前，GaN正逐漸取代GaAs，成為制造寬頻譜、高功率、高效率的微電子、光電子等器件的關鍵基礎材料，在高功率器件中的應用越來越廣泛［2］。

基于第三代半導體材料GaN具有飽和電子速率高、擊穿電壓高、熱導率高、頻帶寬等諸多優勢，為實現超100 W（50 dBm）的輸出功率，此次設計選用NXP半導體公司的MMRF5014H射頻功率氮化鎵晶體管。查閱數據手冊，該晶體管漏極采用50 V的工作電壓，可工作于1～2 700 MHz頻帶范圍內，飽和功率輸出可達125 W（約51 dBm），能夠滿足設計目標。

在本次設計中，介質基板選用介電常數為3.66，正切損耗角為0.003 7的羅杰斯RO4350B高頻板材。該板材的介電常數具有嚴格公差控制，同時具有低損耗特性，完全兼容傳統的PCB制造技術，不需要作前處理流程（PTFE板材需作等離子處理），阻焊工序也可以磨板，相比傳統微波材料層壓板價格更低，被廣泛應用于有源器件和高功率射頻設計中。此外，考慮到在加工及裝配過程中基板可能出現斷裂的問題，所選基板應具有較強的機械硬度，遂選擇厚度為0.762 mm的基板。

2? 靜態工作點選擇及穩定性分析

靜態工作點是指當放大電路處于靜態時，電路所處的工作狀態。通過對靜態工作點的設置可確定放大電路的電壓和電流的靜態值，也就是加載在放大電路上的直流電壓和直流電流的值。如果靜態工作點設置不當，放大器電路將出現嚴重的失真。當靜態工作點過高時，在放大交流信號時可能會出現飽和失真；而當靜態工作點過低時可能會出現截止失真。因此，選擇一個合適的靜態工作點可以防止放大電路產生非線性失真，保證電路具有良好的放大效果［3］。對于射頻功率放大器來說，要使晶體管能夠正常的工作，必須使晶體管在工作的頻段內穩定，否則可能在某些工作頻率和終端條件下產生振蕩，導致損壞功率放大器。常用的穩定措施是在晶體管前串聯一個RC并聯電路，或者在晶體管前并聯一個RC串聯電路接地，某些晶體管用穩定性比較差，僅用一種措施達不到穩定要求，需將兩種措施一起使用。

在官網下載MMRF5014H仿真元件模型，并參考Datasheet給出的參考數據。漏極電壓供電為50 V，柵極電壓選取-2.7 V，對晶體管模型進行直流掃描，仿真結果顯示漏極電流為360 mA，與Datasheet上的350 mA結果相近。當穩定因子大于1時，功率管在整個帶內穩定，否則將存在潛在不穩定，晶體管會產生自激現象。結果如圖1所示，只對晶體管進行穩定性掃描時（未加穩定電路），在低頻帶內的穩定因子小于1，在晶體管仿真模型前加入圖2中的RC并聯穩定電路后，此時在該頻帶內的穩定因子都大于1，電路穩定。

3? 偏置電路設計

偏置電路的作用是為放大器級提供一個合適的偏置電流，并確定放大器的靜態工作點。對于輸入級，通常則需要一個相對較小的偏置電流；對于輸出級，功率輸出一般都比較高，需要較大的偏置電流和較大的偏置電壓，以提高放大器的輸出功率。

柵極偏置電路和漏極偏置電路均用中心頻率為1 500 MHz，長度為λ/4的微帶線來設置。其中，柵極電流較小，微帶線寬度選用為1 mm，串聯一個小電阻提高柵極電路阻抗以減少信號泄露并且可以保護晶體管被靜電電流燒毀；漏極電流較大，考慮微帶線承受能力，選用1.1 mm寬度的微帶線。柵極偏置電路和漏極偏置電路電源端皆并聯容值為10、100、1 000 pF的接地電容，防止交流信號進入柵極端和漏極端，同時起到濾除雜散信號的作用。

4? 阻抗值獲取

在功率放大器阻抗匹配電路設計前，需要獲取晶體管的源阻抗和負載阻抗，才能進行阻抗匹配設計。負載牽引方法是獲取阻抗的常用方法，通過不斷調整輸入和輸出端阻抗，找到使有源器件輸出功率最大的輸入阻抗匹配點和輸出阻抗匹配點或者是使功率管效率最大的阻抗匹配點。在這里，功率最大匹配點和效率最大匹配點往往是2個不同的點，設計時通常將兩者折衷處理，以同時獲取較高的功率和效率。負載牽引方法可以準確地測量出在大信號條件下器件的最佳性能，反映不同頻率和輸入功率下的輸入和輸出阻抗作的變化特性，為器件和電路設計的優化提供堅實的基礎。

通過調用仿真軟件負載牽引模板對所選晶體管進行源牽引與負載牽引，以0.5 GHz為步徑選取頻點進行仿真，結果如表1所示。從表中可以看出所選晶體管的源阻抗及負載阻抗變化的大致范圍，輸入實阻抗為4.7～2.7 Ω，虛部數值較小。因輸入阻抗可匹配范圍較大，所以在1.5 GHz處的阻抗雖看似突兀，但卻是正常的，若將該點的4.7 Ω改為3 Ω，對功率、效率的仿真結果影響較小。輸出阻抗的實阻抗為10～3.9 Ω，虛部數值為6～4 Ω，但輸出阻抗可匹配范圍小，在阻抗匹配時要滿足寬頻帶內匹配難度較大。

5? 阻抗匹配及設計

在射頻電路中，阻抗并不是固定值，而是隨著頻率的變化而變化，通常來說，頻率越高，阻抗越小。阻抗匹配主要是將輸出阻抗、負載阻抗與傳輸線的特性阻抗匹配至相近或相等，所以阻抗匹配的匹配效果越好，傳輸功率就越大，當負載阻抗與電源的內阻相等時，輸出功率達到最大，此時，所有能量的都被傳遞到負載。在阻抗匹配電路設計中，傳統窄帶放大器的端口匹配通常采用共軛匹配來設計，具體設計方法為在Smith圓圖中通過串聯或并聯電容電感來達到共軛匹配狀態，可獲得最大輸出功率。但是功率放大器在寬頻帶下的輸入輸出阻抗變化較大，此時再使用共軛匹配只能滿足頻帶中的一個或幾個頻點的匹配。因此，相較于窄帶放大器，寬帶放大器的匹配電路設計難度更大。在設計功率放大器匹配電路時，需要注意到輸入與輸出匹配電路的不同作用，輸入匹配電路設計首先要保證系統在頻帶內穩定，這也是為什么需要在輸入匹配電路中加入RC并聯穩定電路的原因。其次是降低功放的增益波動。在寬帶功放設計時，每倍頻程增益將降低4～6 dB，此時低頻與高頻的增益相差較大，但在某些功放中對增益平坦度要求較高，設計時常常使輸入匹配在低頻處的阻抗失配以降低增益，以此來提高增益平坦度。再次是降低輸入反射系數。功率放大器的源阻抗一般都很小，匹配難度很大，好在對于多數功放來說輸入匹配對功放輸功率和效率影響較小，可允許在帶內有一定程度的失配。輸出匹配電路設計首先要抑制各次諧波。在功放系統中2 次、3次諧波的影響較大，且不容易濾除。為了很好地抑制各次諧波，輸出端口通常會使用帶通形式或者低通形式的濾波電路。其次是降低輸出反射系數。輸出匹配電路反射系數越小，輸出匹配效果越好，其輸出功率和效率越高，損耗越低。

在經查閱大量資料后收集到寬帶匹配電路的設計方法大致有階梯阻抗變換器匹配［4-5］、實頻法［6-7］、利用仿真軟件直接優化設計［8］、傳輸線變壓器加載鐵氧體磁芯技術［9］、阻抗變壓器［10］、濾波器匹配［11］等。

在阻抗匹配設計時，設計者為了降低匹配難度，通常選擇中心頻點處的輸入輸出阻抗進行匹配，有時也選擇所選頻點的平均阻抗來進行匹配，此次設計選擇前者。從表1中可以看出各個頻點的阻抗數據，輸出匹配電路以頻帶中心頻點阻抗（5.0+j*5.0）Ω作為阻抗匹配點，先連接一條λ/8的微帶線將復阻抗轉變為實阻抗，再采用4階切比雪夫阻抗變換器匹配，此外還添加了一條短路線在低頻處產生諧振，擴寬頻帶。輸入匹配電路的頻帶中心頻點阻抗（4.7-j*0.3）Ω的虛部數值較小，可忽略，直接選取4.7 Ω作為阻抗匹配點并采用與輸出匹配電路同樣方式進行阻抗匹配［12］。這里采用的阻抗匹配方法只是為仿真提供一個良好的初始值，后續還需要進行適當的優化，優化時需要將偏置電路、穩定電路以及輸入輸出匹配一起優化，因為微帶偏置電路的寬度、長度以及電阻阻值以及穩定電路的電阻阻值、電容大小都會影響匹配度。

將各部分電路連接后其原理如圖3所示，其中C1和C11為輸入輸出隔直電容，C2與R2組成RC并聯穩定電路，TL12和TL14為輸入輸出微帶偏置，并在微帶偏置上加入旁路電容濾除雜散信號，其余微帶組成切比雪夫阻抗變換器。

將圖3電路仿真原理進行小信號S參數仿真并優化，最終結果如圖4所示：小信號增益S21>17.5 dB，曲線總體呈下降趨勢，是因為功放設計時每倍頻程增益將降低4～6 dB。在0.5 GHz處增益較低是因為輸入匹配調節的結果。S21曲線起伏范圍不到3 dB，平坦度效果良好。輸出反射系數S22<-9.8 dB，其曲線左右基本對稱，符合切比雪夫阻抗變換器匹配特征，匹配效果良好。

6? 諧波平衡仿真

諧波平衡法可用于分析信號的頻域特性，在非線性電路的分析方面有著出色的表現。在信號處理時，諧波平衡法通過對調制的周期信息的傅里葉級數展開式來分析其頻域特性。從數學的觀點來看，這種方法其實是一種迭代方法，通過迭代計算，其結果可以近似逼近滿意的解。與時域暫態分析相比，諧波平衡法可以直接獲得穩態頻率響應，并進行頻率積分的暫態分析，使建立的模型在高頻段的頻域特性描述更加快速、準確；通過這種方法可獲得非線性電路的飽和電平、噪聲系數、本振泄漏、三階互調、中頻抑制、圖像抑制和組合干擾等方面的大致數據，非常適用于對射頻和微波電路的仿真分析［13］。

在此次設計中，S參數只是在小信號輸入下獲得的關于放大電路的線性參數，當功率放大到一定功率后，晶體管會出現失真，此時放大電路將不再是線性特性。采用諧波平衡仿真可對其進行大信號的非線性仿真，可仿真出與放大器有關的非線性量，如輸出功率、效率等。在仿真軟件中插入諧波平衡仿真模板，并設置相應的參數。優化后諧波仿真結果為圖5所示，其中m1和m2、m3和m4、m5和m6分別為輸出功率、增益及功率附加效率的最小值和最大值。在頻帶內，飽和功率輸出范圍為50.09 dBm（102.1 W）～51.53 dBm（141.2 W），增益范圍為10.09～11.66 dB，增益平坦效果好，功率附加效率為 49.61%～65.08%，實現了在高功率輸出的情況下同時保證了高增益和高效率的良好性能。

7? 結? 論

本文通過對NXP半導體公司生產的MMRF5014H射頻功率氮化鎵晶體管進行源牽引和負載牽引獲取晶體管的源、負載阻抗，再采用切比雪夫阻抗變換器進行阻抗匹配，設計了一款工作頻率在0.5～2.5 GHz的超寬帶、高功率、高增益的功率放大器。該功率放大器相對于傳統窄帶應用，在犧牲較少效率（約10%）的條件下，實現了超寬帶的應用，極大地拓展了其應用領域，與市面上現成的內匹配功率管相比，具有更高的效率及性價比。但此設計也存在明顯的不足，首先是采用階梯阻抗匹配方式，輸入輸出微帶匹配長度較長。其次，此設計只仿真了單路功放，而對于功率放大器來說，單路功放的性能不如雙路或多路穩定。最后是未進行加工測試，設計只停留在仿真階段。在后續的工作中將會對以上問題進行不斷改進。

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Design of 0.5～2.5 GHz Power Amplifierwith Ultra Wideband and High Power

DENG Fang-quan，ZHOU Yong-hong

（School of Electronic Information Engineering，China West Normal University，Nanchong Sichuan 637009，China）

Abstract：This paper first performs source pull and load pull on the MMRF5014H RF power gallium nitride transistor produced by NXP Semiconductor Company to obtain the source impedance and load impedance of the transistor.Then，a Chebyshev impedance converter is employed for impedance matching to design a power amphifier with ultra wideband，high-power，and high gain that operates in the frequency range of 0.5～2.5 GHz.The simulation results show that the saturated output power range within the working frequency band is 50.09 dBm（102.1 W）～51.53 dBm（142.1 W），and the gain range is 10.09～11.66 dB，while the power additional efficiency is 49.61%～ 65.08%.

Keywords：ultra wideband；high power；high gain；power amplifier；impedance matching