225 MHz ～512 MHz 宽带功放设计与仿真

任 勇，胡耀明 ，潘 鸣

(1.杭州电子科技大学电子信息学院，杭州310018;2.中国电子科技集团公司第五十研究所，上海200063)

功率放大器是射频前端的关键部件，它在现代无线电子系统中起着无可替代的作用。随着现代移动通信的迅猛发展，对功率放大器的带宽和输出功率提出了越来越高的要求。超宽带、大功率的放大器应用前景广阔。特别是在电子战设备中应用极为广泛，这些系统一般要求放大器有高稳定性、宽频带、高增益、低的输入和输出驻波比以及良好的平坦度。用传统的窄带功放设计方法很难同时满足这些要求，必须利用宽带功放的相关技术进行设计。比如宽带放大器需要特有的宽带拓扑结构，宽带匹配网络和稳定化技术。

1 系统主要指标和整体设计方案

1.1 功放指标要求

宽带功放的主要指标要求:

工作频率:225 MHz ～512 MHz;增益:≥22 dB;输入输出驻波比:VSWR≤1.4 ∶1;增益平坦度:≤1.1 dB;输出功率:≥43 dBm。

1.2 设计方案

为了达到工作频带内的增益平坦度和输入输出驻波比要求，采用了平衡结构和负反馈技术相结合的方法;同时为了获得宽带匹配，采用了传输线变压器和微带混合匹配电路进行输入和输出匹配电路设计，结合稳定化措施，设计出符合指标要求的宽带功率放大器。整个功放由输入输出耦合器、传输线变压器、输入输出匹配网络、反馈网络和稳定化电路组成。系统设计整体框图如图1 所示。

图1 宽带功放系统框图

2 宽带射频功放设计

设计功放，首先要根据指标要求选择一个合适的功放管。其中最重要的两个指标是输出功率和频率，BLF881 工作频段为HF ～1 GHz，主要用于宽带功放设计;1 dB 压缩点的输出功率为51.7 dBm，比预定指标43 dBm 大了近9 dBm。这样选择主要是考虑到线性度，本次设计没有运用线性化技术，所以用回退功率来保证功放的线性度要求。综合其它指标，如增益、驻波系数等，功放管选择了NXP 的BLF881。

2.1 稳定性设计

要设计一个合适的宽带放大器，必须在放大器增益最大时进行抑制。一种实现的方法是:在低频提供较差的匹配，而在增益较低的高频提供合适的匹配。这就会导致在通带内很多种阻抗不匹配，所以要保证放大器在所有的频率上的稳定性，必须采取相应的稳定化措施［1］。稳定性取决于晶体管的S参数、匹配网络及置端条件。绝对稳定的充分必要条件表述为［2］:

MOSFET 功率晶体管的稳定化措施通常有:栅极电阻加载、漏极电阻加载和漏－栅反馈。BLF881在工作频段内并不满足以上的稳定条件，在栅极输入端串联电阻和电容来改善稳定性，通过ADS 仿真优化得到相应的理想参数:R=5 Ω，C=230 pF，保证功放管处于绝对稳定状态下工作。

2.2 负反馈电路设计

一般情况下，功率增益随频率以6 dB/倍频程的速率下降。由于工作频带很宽，必须对增益滚降采取措施，使工作频段内增益平坦度减小。匹配须提供一个随频率按正斜率变化的增益，以补偿晶体管的滚降。本文采用负反馈技术来展宽放大器的带宽，获得平坦的增益，降低输入输出驻波比。反馈电路拓扑结构如图2 所示。

图2 负反馈方案宽带设计拓扑结构

反馈网络由电阻Rf、电感Lf、电容Cf构成，电阻取值可以有下式计算:［3］

式中，Z0是特征阻抗，S21是S 参数中的正向传输系数。电阻Rf的值决定放大器的增益、带宽及噪声系数。反馈电感Lf的作用是减少高频段的反馈效应以抑制高频时增益的降低;电容在这里的主要作用是“隔直通交”。本次设计中，仅仅依靠匹配电路难以实现增益平坦度的要求，在漏极和栅极之间串联了电感和电阻构成负反馈，优化得到理想参数为L=17.6 nH，R=186 Ω

2.3 宽带匹配电路设计

根据微波理论，要实现最大的功率传输，必须使负载阻抗和源阻抗相匹配。宽带匹配电路一般采用EDA 软件优化设计。本文通过负载牵引法［4］得到最佳的负载和源阻抗，采用微带混合匹配电路和传输线变压器获得良好的宽带匹配。

2.3.1 传输线变压器在宽带匹配中的应用

传输线变压器是一种较为理想的耦合及匹配元件，大大的展宽了响应频带，解决了传统变压器难于克服的高频响应问题，传输线变压器的使用频率范围已超过2 GHz。在实际的使用当中，经常用到4 ∶1、9 ∶1、16 ∶1的阻抗变换器。此外，传输线变压器还可以实现平衡和不平衡之间的转换。改变同轴电缆的绕法和连接方式还可以得到其他特殊比值的阻抗变换器［5］。4 ∶1阻抗变换原理如图3 所示，传输线变压器始末电压电流电阻关系式为:

因此可以得出Rin=4RL

图3 4 ∶1阻抗变换

其中传输线的特征阻抗和长度要满足以下要求［6］:

式中:λmin是对应于频带高端fmax的传输线的最小波长，Z0为双绞线或同轴线特性阻抗，fl为最低工作频率。根据工作频率范围，选择50 mm UT－047(25 Ω)同轴线外加两个Fair－Rite 2861002402 磁环制成输入端的变压器;在输出端由于功率大，选择50 mm UT－085C－15(15 Ω)同轴线外加一个磁环Fair－Rite 2861000202 制成输出端的变压器。根据负载牵引所得的最佳源阻抗和最佳负载阻抗，将传输线分别接成4 ∶1和1 ∶4变压器用于输入和输出阻抗变换。

2.3.2 微带混合匹配电路

在微带混合匹配电路中，通常电感元件采用一段高阻微带线来实现，而电容元件往往采用集总参数的微调电容。在功率放大器中，微带线主要做器件的输入、输出、级间匹配电路及供电电路。基本的设计过程包括:使用周期LC 结构适当的布局和计算参数形成低通阶梯二形网络;单独的π 形节连续的被对应的分布网络代替［7］;优化整个混合匹配结构，改善总体性能。为了达到带宽和平坦度要求，沿着等Q(Q=1)圆进行匹配电路设计。

2.4 平衡式放大器

平衡放大器技术是一种既实用又普遍的宽带放大器设计方法，由此所设计的放大器具有平坦的功率增益频率响应，对微波固态放大器还具有良好的输入、输出VSWR。一个平衡放大器由两个正交耦合器组成，一个位于输入端，另一个位于输出端。由图4 可见，3 dB 的输入藕合器将输入功率等分为具有90°相差的两路信号分别从端口2 和端口4 输出，而输出耦合器又将放大后的输出的信号重新同相合成。运用微带技术可实现微波平面集成电路中的正交耦合器，它们均具有λ/4 段，故对频率都相当敏感，其带宽约为中心频率的50%，所以一般平衡式放大器只能做1 到2 个倍频程带宽。

图4 平衡放大器原理图

特性一致的晶体管尽管平衡放大器结构允许其输入、输出端不匹配，但若两个并联的放大器平衡(即特性一致)，则由此组合的放大器将是匹配的。此时将有［8］:

3 仿真结果分析

在设计宽带匹配电路时，考虑到增益的频率特性，通常选择在频率的高端匹配［9］。平衡式放大器仿真电路如图5 所示，仿真结果如图6 ～图8 所示。

图5 平衡式放大器仿真图

图6 增益曲线

图7 稳定系数

图8 驻波系数曲线

仿真结果表明，在225 MHz ～512 MHz 频段内，单个放大器和平衡式放大器有一样的增益及平坦度，增益为23 dB，平坦度为±1 dB;而驻波系数各不同，单个功放输入驻波系数在1.5 和2.4 之间，而平衡结构的功放输入驻波系数均为1。在整个工作频带内稳定系数大于1，保证功放在工作过程中绝对的稳定。实际上由于耦合器自身的频率响应以及并联放大器的不一致性，驻波系数会有偏差。

4 结论

宽带射频功率放大器设计的难度主要体现在增益平坦度和输入输出驻波系数上，而它们之间又是相互矛盾的，仅仅依靠匹配电路很难同时满足这两个指标要求。本文采用平衡式结构大大降低了输入输出驻波系数;利用负反馈技术以及传输线变压器的阻抗变换，在通带内获得了较好的平坦度。由设计结果可以看出，运用ADS 软件设计射频功率放大器，可以很好的满足各项指标，方便而又高效，省去了大量计算的繁琐，也节约了设计成本。在后续的工作中，将通过预失真［10］或前馈［11］技术，对功放的线性度进行研究设计，结合系统做出宽带功放的实物。

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