单级功率放大器设计

计雷雷，郑宏兴，张玉贤

（天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津 300222）

单级功率放大器设计

计雷雷，郑宏兴，张玉贤

（天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津 300222）

为了解决功率放大器的输出功率和效率问题，把非线性问题转化为简化线性方法去解决，分别采用负载牵引和源牵引技术，调整功率负载线，得到最佳功率和效率输出值，同时简化功率放大器的设计，该电路可广泛用于无线发射机等设备。

负载牵引；源牵引；非线性；单级功率放大器

在无线通信系统中，通过基带处理的射频小信号需要放大，以提高它在复杂电磁环境中的传输能力。因此，功率放大器在无线通信中扮演着重要的角色。对于手持终端，该器件占据的物理空间大，同时也是大部分能量消耗的器件，研究减小体积和能量消耗具有重要意义。随着射频集成电路技术的发展，人们对这些问题进行探索，逐步得到解决。但是在工作频带内，电路参数的线性和一致性一直困扰着电路设计人员。在增益调节方面，一种增益控制模块被采用，使射频宽带放大器动态范围增加[1]。采用坐标变换的预失真参数估计方法，使非线性模型的仿真速度加快，对提高电路的线性度设计非常有意义[2]。为了解决后置非线性失真问题，一种可自适应调节的非线性失真消除模块得到应用[3]。但是这些方法都未能考虑功率放大器的谐波抑制问题。本文采用双音信号测试仿真，研究了谐波问题，利用负载和源牵引技术，可以避免谐波。同时还把非线性问题转换成容易解决的线性技术问题，通过找出器件最大或最佳功率输出值，得到输入阻抗和输出阻抗，解决了阻抗匹配问题。电路采用飞思卡尔MRF19060芯片作为核心部件，结合SiGe工艺的自适应偏置网络[4]，设计和调整其直流偏置电路，设计方法与单音信号测试[5]进行了比较。电路的带内效率达到34.1%，电路在1.96 GHz，功率输出达到40.6 dBm，1 dB压缩点为26 dBm。

1 功率放大器的效率分析

线性模式的功率放大器工作在放大管的放大区，根据工作状态可分为A类、AB类、B类和C类，其射频电流波形表示为：

式中：θ为电流导通角；cos（a/2）=-（Iq/Ipk），Ipk=Imax-Iq。所以

中小型民营企业的关键技术和主体技术掌握在一个或几个技术骨干手里，且一般情况下人员流动性远大于传统军工企业，一旦企业某个技术骨干流失，则可能影响公司的专业技术能力，轻则影响后续产品的研发，重则已承担的产品研制生产任务难以完成。

通过傅里叶变换，平均电流或者直流分量为：

（二）严重缺乏自信心。缺乏自信心的孩子，缺乏积极思考的动力，不肯动脑筋，漫不经心，避而不答、缺乏学习的主动性、上进心和学习动力，对不懂的问题不去认真钻研，或者请教别人，而是马虎应付，遇难不究，抄袭了事，不想寻根问底。学习也就越来越困难了，越难他越不动，近乎放弃。

一般而言，如果放大器功率增益小于10 dB，则Pin带来的影响很可观，而且效率越高，影响越大。在射频功放中，直流转换效率是必须考虑的问题。其中AB类工作状态比A类和B类具有更大的线性动态范围。这里采用AB类可以获得比较好的效率和线性度。

调整消费税的收入分配机制，除了考虑现实需求因素，还需分析其内在合理性。基于财税体制改革之正当性要求，将消费税划分为中央税、地方税或者共享税，其背后应当有一定的经济原理和法律逻辑作为理论支撑。

由上式可知，随着导通角的减小，直流分量单调下降。A类效率50%，到B类升到78.5%。可以算出输出集电极效率为：

以及附加效率（PAE）为：

式中：Pin为输入驱动RF功率，RF基波输出功率Po= VCCI1/2，提供的直流功率Pdc=VCCIdc。

项目开辟了特高压北电南送的通道，有利于西北部煤电基地能源的有序开发及电力外送。随着京津冀协同发展的逐步推进，京津冀地区的负荷将会快速增长，项目的实施将较大地满足对电源增长的需求，实现更大范围的资源优化配置。

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2 传输线阻抗匹配原理

射频电路的功率放大器芯片通常采用微带线连接，用合适的微带线尺寸和形状，可以与负载进行阻抗匹配，阻抗匹配原理用图1所示等效模型进行分析[6]。

计算得到

图1 微带线阻抗匹配模型

通过传输线连接负载Zl，得到：

直流电源内阻很小，相对于功放芯片来说，ZL≈0，代入式（11），Zin（d）趋近于无穷大，对射频信号相当于开路。功率放大器电路在1.96 GHz时的偏置如图2（a）所示，利用ADS软件仿真，得到电感性高阻抗，如图2（b）所示。

如果他继续往下深入，她也许会展露更多令他困惑和无解的内容。也有可能始终守口如瓶。他已失去所有力气，说，其实我并不懂得什么是爱情，虽然我恋爱过多次。她说，时间本身保持着一种神秘感，所以我们才会虽然做过多次的事情，却依然不能够知晓它的真味。

3 偏置电路分析

单音信号附加效率测试时，输入单频信号（RF input），适当调节参数，可由图4仿真结果知：在输入功率为26dBm时，输出功率（RFoutput）为40.6dBm，且附加效率34.1%，具有1 dB压缩点(1 dB compression)小于1 dB的优良的线性性能，并且获得14 dB增益。仿真结果满足设计目标，获得了良好的性能指标。

第n次谐波分量的振幅为：

其中βd为传输线电长度，当它等于1/4波长时，得到：

设信号源阻抗为Zsource，调节传输线长度l，只要满足Zin*=Zsource，即可实现负载与信号源阻抗匹配。这里通过负载牵引技术，把非线性问题转换成容易解决的线性技术问题，找出器件最大或最佳功率输出值，得到输入阻抗和输出阻抗。利用传输线阻抗匹配原理，把50 Ω阻抗匹配到负载牵引得到的输入输出阻抗，仔细调整参数，电路可以获得最佳功率输出。

图2 偏置电路设计

4 数值结果

本设计目标为：功率放大器输出功率为7.5 W，功率增益12 dB，且工作频段内附加效率达到30%以上。通过ADS软件的线性参数调整功能，对图2（a）参数进行优化设计，最终得到电路如图3所示。

4.1 HB1tone附加效率测试

当确定了功率放大器的工作状态后，需要通过合适的偏置电路，使其工作在选择的类型状态下。对于射频功率放大电路而言，其偏置电路是直流电源为其供电的一个传输网络，通常由分布式参数扼流圈、高频旁路电容和1/4波长高阻抗线组成[7]。在偏置网络中，直流电源经过分布式参数扼流圈时，阻抗接近零，但对高频信号,它的阻抗是无穷大。终端有载传输线的输入阻抗通过式（9）得到：

图3 MRF19060功率放大器设计电路

图4 参数测试

4.2 HB2tone附加效率仿真

当2个不同频率信号通过一个非线性系统时，这2个信号会产生混频情况，从而出现次项，称之为双音测试。假设输入信号x（t）=A1cos w1t+A2cos w2t，代入无记忆的时变系统，得到：

他头发上的猪油全蹭到我身上，我妈以为我去偷了东西，又追着我打了一顿，那把铲子又坏了，我妈打累了，支使我去买把新铲子，不然没晚饭吃。

通过处理上式，可得到如下交调项：

三阶交调（IMD3）和五阶交调（IMD5）点对射频功放的噪声性能有很大的影响，为保证系统正常工作，尽可能产生小的干扰。参数优化的电路经过双音测试，得到IMD3<50 dBc，IMD5<90 dBc，分别如图5（a）和（b）所示。

图5 双音仿真

结果表明，电路对高频噪声有很好的抑制，抗干扰能力较强。把设计的电路生成版图，加工焊接外置高频元件以及飞思卡尔MRF19060芯片，电路如图6所示，最后采用本实验室的网络分析仪AV3629进行测试，结果与图4一致。

图6 电路实物

5 结束语

本文设计的1.96 GHz射频功率放大器，输出功率为7.5 W，通过测试，各项性能指标均能满足设计的要求，可用于无线通信系统中。

［1］ 刘力.基于分档切换的射频宽带放大器的设计［J］.信息技术，2014（12）：188-191.

［2］ 黄浩，钱骅，姚赛杰,等.基于坐标变换的射频功放预失真参数估计方法［J］.通信学报2015，36（1）：1-9.

［3］ 唐成凯，廉保旺，张玲玲.卫星星载后置非线性失真消除算法［J］.西安电子科技大学学报：自然科学版，2015，42（1）：207-212.

［4］ 贯会征，阎跃鹏.基于SiGe工艺的线性功率放大器设计［J］.微电子学与计算机，2015，32（1）：64-67.

［5］ 王洋，刘太君，叶焱，等.逆F类高效氮化镓Doherty射频功率放大器设计［J］.微波学报,2014,30（6）：64-68.

［6］ 赵景梅,南敬昌,袁杰.基于ADS的基站功率放大器仿真实现［J］.微电子学与计算机，2010，27（2）：133-136.

［7］ 倪春，张量.一种宽带高线性高增益功率放大器的研究与设计［J］.合肥师范学院学报，2013（6）：45-48.

Designing of a single-stage power amplifier

JI Lei-lei，ZHENG Hong-xing，ZHANG Yu-xian
（Institute of Antenna and Microwave Techniques，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

In order to solve the contradiction between the output power and efficiency in power amplifier，we convert the non-linear problem into linear one by using existed technique.It has been solved easily.We adjust the power load line by using load-pull and source-pull method，and then obtain the best output power and efficiency.This simplified design of power amplifier can be used in wireless transmitter devices.

load-pull；source-pull；nonlinear；single-stage power amplifier

TN722.1

A

2095－0926（2015）01－0010－04

2015-02-24

国家自然科学基金项目（61371043）；天津职业技术师范大学科研发展基金项目（KJY14-04）.

计雷雷（1988—），男，硕士研究生，郑宏兴（1962—），男，教授，博士，硕士生导师，研究方向为天线、微波电路和计算电磁学.