宽带功率放大器的仿真设计研究

中国电子科技集团公司第五十四研究所 杜 浩 刘雪峰 宋海涛

0.概述

无线通信技术的快速发展，对频段利用效率提出了更高要求。无线通信装备中重要的组成部分功率放大器，其带宽要求达到3倍频程。为了解决超宽带微波功放面临的技术瓶颈，通过宽带匹配技术仿真设计宽带功放。在宽带功放的设计过程中，要对功率管的输出能力进行反复调试，通常在实物设计之前，需要对功放电路进行仿真，目前常用ADS进行仿真设计。

1.功放设计

宽带功放主要设计难点是幅频特性设计，功放在不同频率的增益不同，需要在设计时通过匹配补偿等设计手段补偿增益平坦度。匹配补偿技术原理是在放大器级间引入匹配电路，目的是降低带内高增益的地方，使得放大器整体增益在要求带宽内尽量平坦。通常可以在匹配电路中采用电阻的方式来实现，利用微带短路线的阻抗变换作用，降低高增益的频段的增益，获得较宽信号带宽。

同时，对于宽带阻抗匹配设计，可以在放大器阻抗匹配是采用多节λ/4支节、渐变传输微带线、低Q多级匹配等方法实现。

渐变线传输微带线匹配，是一种特性阻抗连续变化的设计，等效于多节阻抗变换线在长度极限小的情况下的一种阻抗变换。发射系数为：

由上述公式可知，反射系数随着L的增大而变小。可实现宽带匹配。

低Q多级匹配，需要在Smith圆图内画出等Q线，实现阻抗自己的匹配。一般需要多级LC匹配级联实现低Q值指标。

本设计采用sumitomo公司的GaN功率管EGN25C07012，其小信号S参数如下所示。

图1 s参数

根据S参数，需要根据对应带宽的阻抗值，采用上述宽带设计方法，来设计仿真电路。对于输入匹配网络设计，考虑在需要带宽内有良好的驻波比，数传匹配网络，主要考虑阻抗匹配，使得放大器输出功率达到30W，工作带宽达到800MHz～3500MHz。

同时，对于功率放大器设计，静态工作点设计尤为重要，本次设计将其偏置在AB类工作状态，具备较高的线性度。

2.电路仿真

采用ADS来进行功放仿真设计，将EGN25C07012功率管的特性参数导入到仿真模型，在小信号情况下首先对S参数进行匹配仿真，在放大器输入和输出采用宽带匹配技术，增加了多支节匹配技术和匹配补偿技术。具体仿真电路原理图如图2所示。

图2 ADS功放仿真原理图

图3 功放频谱特性

3.结果验证

通过ADS的仿真和优化设计，主要验证功放仿真的频谱特性，即800MHz～3500MHz带内平坦度和Smith圆图的阻抗匹配结果。仿真结果如图3所示。

由图2仿真结果可知，宽带功放的主要设计难点800MHz～3500MHz带内增益平坦度为0.3dB，带内较为平坦，设计结果满足需求。