弹载小型高增益功放双共轭匹配设计方法

徐利平，陈斌虎，乔 飞，付 强

（1.机电动态控制重点实验室，陕西 西安 710065；2.西安机电信息研究所，陕西 西安 710065）

0 引言

弹载无线电发射机安装空间十分有限，而且需要在这有限的空间里安装功率放大器、调制器、振荡源、编码器、通讯接口、电源板等多种设备，空间非常紧张，功放输入信号小，输出功率大，因此，需要精心设计小型化、高增益功率放大器。

对于小型化功率放大器，目前国内外都做了大量研究、实验，成功研制了多种高性能小型化微波功率放大器模块。但国外放大器产品不提供详细设计资料，国内这一工作还处于初级阶段［1－2］。文献［1］用管芯作为功率器件，采用负载牵引技术，通过谐波平衡法，进行了增益为11.8 d B的大信号宽频带固态功率放大器设计，匹配电路由集总参数元件组成，集总参数元件值的不连续性不利于后期功放的调试。文献［2］采用负载牵引技术对管芯进行大信号参数提取，设计了S波段小型功率放大器模块，增益只有9 d B，匹配电路由集总参数元件组成。负载牵引法设计系统较为复杂，需要一整套完整的测试系统［3－4］，成本较高，系统的初建与标准工作量较大，不利于推广。文献［5］在LDMOS管建模的基础上，验证并实现了单端AB类功率放大器，增益为14 d B，设计方法比较复杂。由于晶体管工艺和批次的不同，模型选择也不同，增加了建模难度。文献［6］针对负载牵引技术的不足，提出通过小信号S参数仿真设计功率放大器，工程应用方便，但功放的增益只有11.5 d B，且由分布参数电路匹配，体积会比较大。

1 几种传统功率放大器设计方法

传统功率放大器的设计方法如图1所示。

图1 传统功率放大法器设计流程图Fig.1 The flow chart of traditional power amplifier design

最佳负载的确定是以最大输出功率为判断标准，当输出功率达到最大时的负载为最佳负载。最佳负载的确定方法有测试法和仿真法。测试法即用负载牵引系统测试，但这种设备比较昂贵，不易推广；仿真方法有负载牵引仿真法，该方法需要厂家提供非线性仿真模型，而大部分厂家只提供小信号S参数模型。还有一种仿真方法是运用小信号S参数进行仿真提取最佳负载参数值［6］。

传统方法设计的功率放大器的增益大多数不高，且匹配电路的设计主要是运用集总参数元件或者分布参数元件。由于集总参数元件值的不连续性不利于后期功放的调试，而分布参数电路大多数时候占用面积比较大，不利于小型化设计。

安捷伦公司的ADS（Advanced Design System）软件可在 Windows环境下，采用交互式图形界面对电路进行设计，操作简便快捷、功能强大。它提供了电路的仿真、优化环境，可用输入、输出反射损耗、Smit h圆图等多种形式输出电路的散射矩阵。因此是快速正确分析设计射频电路的有效工具。

双共轭匹配法是使晶体管输入端与输出端分别与源负载共轭匹配，该方法可获得高的功率增益，晶体管既能从信源处输入最大功率，又能输出最大功率给负载。

双共轭匹配需要晶体管处于绝对稳定状态，所以设计前需要首先保证晶体管处于绝对稳定状态，否则需要首先稳定晶体管。晶体管稳定化措施就是通过电阻加载晶体管的输入、输出端或使用输入、输出端反馈使稳定系数K在任意频率处大于1，保证电路的稳定性［7－9］。

2 弹载高增益功率放大器的双共轭匹配方法

选用小体积、高增益器件。为减少放大链路的级数拟选用三级放大链路，每级器件的供电和偏置电路尽量一致、简单。在低频段，集总参数元件的寄生参量等因素对整个电路的影响比较小，所以，偏置电路尽量使用集总参数元件，有利于小型化设计。

双共轭匹配法设计功率放大器的流程图如图2所示。

图2 双共轭匹配法设计流程图Fig.2 The flow chart of Bi－conjugated Matching design method

与图1比较，“最佳负载确定”变为“输入／输出阻抗确定”。将厂家提供的小信号S参数模型加载到ADS软件，然后经过稳定性仿真使晶体管处于绝对稳定状态。然后在S参数模型前后加50Ω负载后经过S参数仿真，确定所要设计频点下功率放大器的输入、输出阻抗，然后再经过S参数仿真设计匹配电路，将该频点下输入、输出阻抗匹配到50Ω。即在绝对稳定的条件下，当源、负载反射系数ΓS、ΓL分别取晶体管输入、输出反射系数的共轭匹配值ΓMS、ΓML时，可得到最大的功率增益。ΓMS、ΓML表达式如式（1）所示。

式（1）中，

输入、输出匹配电路采用双共轭匹配可以有效地提高功率放大器的功率增益，晶体管既能从信源处输入最大功率，又能输出最大功率给负载。设计中可利用ADS软件自带的优化仿真控件对电路进行优化设计。

匹配电路的设计由单纯的集总参数元件或分布参数元件电路设计，变为集总／分布参数元件混合设计。采用微带线和电容串、并联设计输入输出匹配电路，这种方式的优点是电路形式简单、低通特性良好，完成加工后也能进行参数调整。改变电容的量值以及电容在传输线上的位置就可以得到较宽的电路参数调整范围，可兼顾小型化、增益及输出功率间的平衡，有利于电路设计。

虽然已经为每级功放都设计了输入、输出匹配网络，但这个匹配仅仅在一个点上，不可能在整个频带内都实现完全匹配，因此在某些频率点上功率反射是很严重的。如果各级功放直接相连，且在信号和分布参数等发生变化产生较为严重的失配的情况下，功率信号将在两级间来回反射，从而形成很强的自激振荡，严重的情况将会烧毁功放器件。所以为保证前级放大器与末级功率放大器的良好级联和匹配，在两极放大器中间加一个Π型衰减网络，来调整整个功放的增益和前后级的匹配度。

3 功率放大器稳定性、匹配仿真及增益测试验证

3.1 功率放大器的稳定性仿真

采用双共轭匹配法设计功率放大器需要晶体管处于绝对稳定状态，需要首先进行稳定性分析。

功率放大器的稳定系数、源反射系数、负载反射系数及增益都是S参数的函数。将厂家提供的S参数文件载入ADS软件，通过ADS软件建模仿真如下。

由图3的功放芯片稳定化前稳定系数K仿真曲线可见，695 M以下稳定系数K小于1，功率放大器具有潜在的不稳定性，必须首先对放大器进行稳定化。

图3 稳定化前功率放大器的稳定系数曲线Fig.3 The stability factor curve of the power a mplifier before stabilization

晶体管稳定化措施就是通过电阻加载晶体管的输入、输出端或使用输入、输出端反馈使稳定系数K在任意频率大于1，保证电路的稳定性。

通过输入端加载电阻、电容稳定后稳定系数K的仿真曲线如图4所示，可见，功率放大器的稳定系数K在任何频率点都大于等于1，已经处于绝对稳定状态。接下来可以对功率放大器进行进一步设计。

图4 稳定化后功率放大器稳定系数曲线Fig.4 The stability factor curve of the power amplifier after stabilization

3.2 小型化高增益功率放大器的阻抗匹配和增益仿真

阻抗匹配网络是晶体管功率放大器与其他网络相连接时保证最大功率传输所必不可少的网络结构，它关系到功率放大器的稳定性、增益、输出功率及尺寸等一系列指标的好坏。为了获得高的增益我们采用双共轭匹配法设计输入、输出匹配电路。

输出匹配电路主要应具备损耗低，提高输出功率等功能。由于电感比电容有更高的电阻性损耗，所以在此类电路中通常避免使用电感。我们采用微带线和电容串、并联设计输入输出匹配电路，这种电路完成加工后也能进行参数调整。改变电容的量值以及电容在传输线上的位置就可以得到较宽的电路参数调整范围，在满足增益的基础上得到足够大的输出功率，有利于电路设计。输入、输出匹配电路反射损耗曲线如5图和图6所示，说明输入、输出端口都得到了很好的匹配。

图5 输出匹配电路反射损耗图Fig.5 The retur n loss curve of output matching circuit

图6 输入匹配电路反射损耗图Fig.6 The return loss curve of input matching circuit

在输入、输出端实现共轭匹配后，信号的功率增益最大，如图7所示，增益接近60 d B，相比传统的功率放大器，增益大幅度提高。

图7 输出信号增益图Fig.7 The figure of out put signal gain

3.3 小型化高增益功率放大器的测试验证

弹载小型化高增益功率放大器的实物如图8所示。输入、输出匹配电路采用微带线和电容串、并联的模式。测试平台为稳压电源、微波信号源和频谱分析仪。以增益和1 d B压缩点功率作为指标，调整电容的容值和在微带线上的位置使之达到当前的最佳状态，在工作频段内有尽可能高的增益和大的输出功率，同时消除功放的异常现象。

图8 小型化高增益功率放大器实物Fig.8 Miniature and High-gain Power Amplifier

测试方法为用微波信号源产生不同功率的信号输入功率放大器，用频谱仪检测输出信号功率。频谱仪的输入端加30 d B的衰减器。

首先输入小信号，测出功率放大器的在线性工作状态下的增益，然后逐渐增大输入功率，功率放大器会逐渐进入非线性工作状态，此时会产生增益压缩。当增益压缩达到1 d B时此时的输出功率为1 d B压缩点，这时的输出功率为线性功率放大器的最大输出功率。计算出不同输入功率下的增益和增益压缩如表1所示。

由表1可知，通过小信号S参数仿真法设计的高增益功率放大器的最大增益为59.6 d B，当输入功率增大到－28 d B时输出增益降到58.7 d B，增益压缩为0.9 d B，接近1 d B，此时输出功率为30.7 d Bm，即最大线性输出功率为30.7 d Bm。传统方法设计的小型化功率放大器增益一般比较低，在9～14 d B左右。相比较，增益提高44.7 d B，且功放的大小只有Φ28 mm×4 mm，证明本文提出的设计方法设计的功率放大器的增益得到大幅度提高，且体积很小。

表1 输出功率及增益压缩测试Tab.1 Output power and gain compressing test

3.4 外场试验验证

为外场拉距试验装配了两套样机。拉距试验时，发射机位置距地面高80 m，接收机距发射机水平距离15 k m，两套样机各测试数次，接收状态良好。

通过外场试验证明用该方式设计的小型化、高增益功率放大器性能良好。

4 结论

本文提出弹载小型化高增益功率放大器的双共轭匹配设计法，选用体积小、增益高、供电电压一致的芯片，利用芯片厂家提供的小信号S参数模型，载入ADS软件，进行双共轭匹配仿真，确定功放的匹配电路，将输入、输出阻抗匹配到50Ω。匹配电路采用微带线和电容串、并联的方式，有利于小型化、增益、输出功率之间的平衡。经过仿真验证，通过该方法设计的功率放大器功率增益接近60 d B。制板后实物实测得到的最大增益为59.6 d B，且体积很小，两套样机经过15 k m拉距试验证明功放工作状态均正常，性能良好。测试和试验结果验证了通过该方法可以有效地提高功率放大器的增益，并且功放体积小、性能良好。研究成果可用于各种弹载小型化无线电发射机中。

［1］梁晓芳，商坚钢，李晓东.负载牵引技术在小型化宽频带固态功率放大器设计中的应用［J］.微波学报，2007，23（6）：61-70.LIANG Xiaofang，SHANG Jiangang，LI Xiaodong.Application of load-pull technique in the design of s mall－size wideband solid-state power amplifier［J］.Jour nal of Microwaves，2007，23（6）：61-70.

［2］吴家峰，何庆国，赵夕彬.基于负载牵引法的小型化功率放大模块设计［J］.半导体技术，2009，34（6）：602-606.WU Jiafeng，HE Guoqingguo，ZHAO Xibin.The design of mini-size power module based on the load-pull［J］.Semiconductor Technology，2009，34（6）：602-606.

［3］陈卓伟，游彬.基于Load-Pull系统的射频功率放大器的设计［J］.电子器件，2009，32（5）：912-915.CHEN Zhuowei，YOU Bin.Design of a RF power amplifier based on load-pull system［J］.Chinese Journal of E-lectron Devices，2009，32（5）：912-915.

［4］王红欣.小型化900 MHz LTCC微波功率放大器模块研制［D］.石家庄：河北工业大学，2004.

［5］邬海峰.L波段宽带小型化功率放大器的建模与设计［D］.成都：电子科技大学，2007.

［6］祁云飞.基于小信号S参数的功率放大器设计［J］.电子科技，2010，23（8）：68-72.QI Yunfei.Design of microwave power amplifier based on s mall-signal S parameters［J］.Electronic Sci.＆Tech，2010，23（8）：68-72.

［7］易建东.小型化高可靠宽带功放技术的研究［J］.电视技术，2005（2）：156-158.YI Jiandong.Miniat ure power amplifiers with high reliability in broadband［J］.Video Engineering，2005（2）：156-158.

［8］吕剑锋，孙虹.射频功率放大器的稳定性分析［J］.国外电子测量技术，2005，（3）：11-14.LV Jianfeng，SUN Hong.Stability analysis of RF power amplifier［J］.FEMT，2005，（3）：11-14.

［9］赵中义.L波段LDMOS微波宽带功率放大器的研制［D］.西安：西安电子科技大学，2009.