基于TQP7M9105的超宽带功率放大器优化设计

刘 洋 王治国 李燕南

空军通信士官学校，辽宁 大连 116600

基于TQP7M9105的超宽带功率放大器优化设计

刘 洋 王治国 李燕南

空军通信士官学校，辽宁 大连 116600

超宽带功率放大器是宽带微波发射系统的重要组成部分。基于TQP7M9105，设计工作频率为400～8000 MHz，带宽为400 MHz的超宽带功率放大器。经仿真优化给出了具体电路和参考参数，并为超宽带功率放大器的研制提供参考价值，也具有较大的工程参考依据。

功率放大器；阻抗匹配；超宽带；功率增益

1 绪论

随着无线通信技术的飞速发展，宽带功率放大器应用越来越广泛，在移动电话、卫星通信网、无线通信、通信技术及毫米波自动防撞系统等领域有着广阔的应用前景。随着光电的发展，在光传输过程中，宽带功率放大器是系统的重要部分。

本文基于TQP7M9105对超宽带功率放大器的设计进行了研究，提出了一个较为完善的研究路线。以S参数为基础，分析放大器的基本设计要素，如稳定性、增益和增益平坦度等。然后用ADS软件实际进行宽带匹配网络的设计，最后完成带宽为200 MHz的超宽带功率放大器的设计和测试结果，并对设计结果的准确性进行验证[1]。

2 基于TOP7M9105的超宽带功率放大器的优化设计

2.1 功率放大器的技术指标要求

本次设计的基于TQP7M9105的超宽带功率放大器，主要技术参数如下：工作带宽400～800 MHz，带宽为400 MHz，稳定系数＞1，增益＞18 dB，晶体管为TQP7M9105，其供电电压为+5 V，其可工作的频率为50～1500 MHz。

2.2 超宽带功率放大器的结构框图

图1为超宽带功率放大器的结构图。为了使传输的增益最大，在输入匹配和输出匹配网络的设计过程中，采用了同时共轭匹配的方法。

图1 超宽带功率放大器的结构图

当放大器设计好后，需要通过仿真，检验性能指标是否达到设计性能要求。在进行仿真时，需要利用到TQP7M9105的S参数。其中晶体管S参数可以从厂家网站下载，即S2P格式文件。本晶体管正常工作电压+5 V，电流200 mA，工作频带50～1500 MHz。当晶体管工作在950 MHz时，增益为+47 dBm。

阻抗匹配已经成为射频电路以及最大功率传输系统中的基本部件。为了使宽带射频功率放大器的输入、输出达到最佳的功率匹配。匹配电路的设计成为射频功率放大器的重要任务。匹配电路设计分为两个部分：一部分是输入匹配的设计；另一部分是输出匹配电路的设计。设计过程可以通过ADS软件进行仿真，观察S11和S22参数，看输入、输出匹配电路是否达到设计的要求。要使超宽带功率放大器工作在绝对稳定的状态下，则必须设计合适的输入、输出匹配电路[2]。

2.3 设计流程

2.3.1 TQP7M9105的简介

TQP7M9105是TriQuint第三代5 V线性驱动放大器的最新产品。可提供1 W（+30 dBm）的P1 dB射频输出功率，增益为19.4 dB，输出三阶交调截取点（OIP3）为达到同类产品最高线性度的49 dBm，在+5 V电压下耗电仅为220 mA。

2.3.2 输入匹配电路

输入匹配电路是本次设计的重点。输入匹配做不好将会影响管子的效率，甚至有可能导致管子无法正常工作。输入匹配电路设计方法如下：

（1）在原理图窗口中元器件库列表→ Date Items→S2P，将其放入原理图，然后在元器件库中选择Simulation_s_parm→Term添加到原理图中；在工具栏中选择两个接地图标添加到原理图中，并将S-parmeters和Zin也添加到原理图，并用导线相互连接。本电路图的主要作用是用来确定管子的输入阻抗和输出阻抗。通过此电路图确定管子输入阻抗为2.1-j*1Ω。

（2）运用史密斯圆图进行输入匹配电路的设计。在元件面板列表中选择Smith Chart Matching，然后从面板中调出匹配控件建立电路。在工具栏中选择Tool→Smith Chart Utility，在Smith Chart Utility中进行电路匹配，设计符合要求的输入匹配电路，最后在DA_Smith Chart Match1中生成电路图。通过仿真发现此电路带宽不是很宽，因此需要改进。通过并联一些电容来降低电路品质因数，增加电路带宽，经过改进后，最终得出电路图。

（3）最终输入匹配电路测试发现，在400～800 MHz的频带范围内，S11小于－5 dB。这表明输入端反射回来的能量比较少，即输入匹配电路设计比较好，符合本次设计的要求。

2.3.3 输出匹配电路的设计

输出匹配电路应具备损耗低，驻波比良好，谐波抑制度高，输出功率高及非线性良好等功能。输出匹配设计方法如下：

（1）电路测的管子的输出阻抗为139+j*3Ω。

（2）运用史密斯原图进行输出匹配电路的设计。在元件面板列表中选择Smith Chart Matching，然后从面板中调出匹配控件，建立电路。在工具栏中选择Tool→Smith Chart Utility，在Smith Chart Utility中进行电路匹配，设计符合要求的输入匹配电路，最后在DA_Smith Chart Match1中生成电路。

（3）最终输出匹配电路图的仿真结果如图2所示。通过对最终电路进行仿真，可输出匹配电路的S11和S21参数值的曲线图。S参数的值可以看出在300～800 MHz频率范围内，S11小于零且其值都在－5 dB以下，表明输出匹配电路性能较好，符合设计的要求。

2.3.4 输入和输出匹配做好后的最终原理图

将输入匹配电路图封装在X1中，输出匹配电路图封装在X2中，形成最终原理图。将输入和输出匹配封装后的电路图[3]。封装目的主要使电路图在原理图中显得简洁直观，也使测试电路图在原理图中显得不是那么复杂。X1中封装的是输入匹配电路图，X2中封装的是输出匹配电路图。

3 印制电路版图及最终实物

对设计电路的加工版图进行加工，加工的电路见图2，电路中焊接了必要的电容、放大器芯片以及偏执电压线等。对电路的增益进行测试，实际测试结果见图3。

图2 实物电路图

图3 实物电路测试结果

根据图3的测试结果，可以看出，电路测试设计的400～800 MHz的宽频带内增益的平坦度实现较好，在500 MHz频率附近有稍许下降，通过后期的调试，对并联电容的连接位置进行调节，可能会进一步改善增益平坦度。通过本次设计，证实了本文提出的通过并联接入电容，降低电路品质因数以增加放大器设计带宽的可能性。验证电路设计比较成功。

4 结语

本文基于TQP7M9105的超宽带功率放大器设计，工作在400～800 MHz频率范围内，带宽为400 MHz，增益约为19 dB的超宽带功率放大器基本达到了预设的要求。

[1]朱刚.超宽带原理与干扰[M].北京：清华大学出版社，2009.

[2]王金龙，王呈贵，阚春荣.无线超宽带电通信原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[3]南敬昌，冯永生，刘元安.L波段小信号放大器ADS设计与仿真[J].微波学报，2007（23）：143-147.

Optimal Design of Ultra Wideband Power Amplifier Based on TQP7M9105

Liu Yang Wang Zhiguo Li Yannan
Air Force Communications Sergeant Academy, Liaoning Dalian 116600

Ultra wideband power amplifier is an important part of broadband microwave transmitting system. Based on TQP7M9105, an ultra wideband power amplifier with a working frequency of 400 to 8000 MHz and a bandwidth of 400 MHz are designed. Through simulation and optimization simulation, the specific circuit and reference parameters are given, which provides reference value for the development of ultra wideband power amplifier, and also has great engineering reference.

power amplifier; impedance matching; ultra wideband; power gain

TN722.75

A

1009-6434（2017）7-0006-02