基于功率合成器的北斗射频功率放大器设计

高贵虎，苏凯雄

(福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州 350116)

随着中国北斗卫星导航系统的不断完善，北斗卫星导航系统正逐步从区域性卫星导航系统发展成为全球性卫星导航系统。北斗系统所独具特色的短报文通信功能，使其在国防、民生等领域得到越来越广泛的作用[1-2]。射频功率放大器作为北斗卫星导航与通信终端设备的末级信号放大器，其性能的好坏直接关乎发往卫星信号的质量和终端设备的电源效率。然而，由于通常采用的大功率射频功率放大器存在线性度不理想、电源效率低、供电电压高、成本高、易受温度影响等问题[3-4]，制约了其在北斗通信终端中的应用。目前，北斗卫星相关产业发展缓慢，大功率射频放大器方案主要采用进口芯片，通过高电压供电，成品移动性较差。

为解决上述问题，本文在传统三级级联射频功率放大器结构基础上，通过引入功率分配器和功率合成器，形成对称性电路的解决方案，从而在保证足够的线性输出功率的前提下，降低供电电压要求，并提高电路稳定性。同时，通过结合微带低通滤波器设计，进一步减低系统的谐波干扰。

1 系统组成

本文提出的射频功率放大器结构如图1所示，它主要由前置级放大器、功率分配器、驱动级放大器、末级功率放大器、功率合成器和低通滤波器等单元电路组成。

图1 射频功率放大器系统组成框图Fig.1 RF power amplifier system block diagram

射频功率放大器的输入信号为北斗射频发射通道输出的中心频率1.61568 GHz、功率为0 dBm的BPSK调制信号。考虑到功率分配器的插入损耗约为3 dB、功率合成器增益约为3 dB、输出滤波器的插入损耗接近于0 dB，为达到30 W(44.8 dBm)线性输出功率，要求上下两路末级射频功率放大器的P1dB应大于15 W(41.8 dBm)。综合考虑线性度、增益、供电电压和封装等因素，末级射频功率放大器选用LDMOS工艺的场效应晶体三极管PD20015C。LDMOS工艺具有良好的线性度、稳定性和温度特性，能够较好地解决效率和线性度的问题。同时，采用LDMOS工艺的单级功放可提供较大的功率增益(约12 dB)，故驱动级放大器的P1dB输出功率确定为1 W(30 dBm)、增益为25 dB。低通滤波器、功率分配器和功率合成器均采用微带线形式实现，既可以确保低插损，也可以提高稳定性。综合以上分析，前置级射频功率放大器增益只要大于8 dB即可满足射频链路要求。

2 射频链路分析与设计

2.1 功率分配器与功率合成器

功率分配器和功率合成器的主要指标包括回波损耗、插入损耗、隔离度、工作频段等。由于无源结构的功率分配器与功率合成器是一对互易网络，二者具有完全一致的结构和性能，故对其中一种的分析设计同样适用于另一种[5-6]。以下以功率分配器为例进行分析设计。

图2 功率分配器的电路结构Fig.2 Circuit structure of power splitter

本文采用的功率分配器结构如图2所示。图中，端口1为输入端口，其源阻抗为Z0；端口2和端口3为输出端口，其负载阻抗分别为R2和R3；两段1/4波长传输线的特性阻抗分别为Z02和Z03，电阻R为隔离电阻。则输出端口2和3的输出功率分别为

(1)

(2)

其中k2为功分比。若取R2=KZ0，则R3=Z0/K。由四分之一波长阻抗变换器理论可得

(3)

联立解可得

(4)

为了满足功率分配器输出端口的平衡性，可令功分比k2=1，端口源阻抗Z0=50 Ω。由上式可得，Z02=Z03=70.7 Ω，隔离电阻R=100 Ω，λ/4=4.62 cm。

结合电路结构图和电路参数进行实际电路的仿真优化设计，仿真结果如图3所示。从图可以看出，在频率为1.616 GHz处，所设计的功率分配器的插入损耗为3.038 dB，输出端口的反射损耗达41.89 dB(即反射系数很小)，两个输出端口之间的隔离度达38.4 dB。可见，所设计的功率分配器的各项性能指标均符合设计要求。

图3 功率分配器的仿真结果Fig.3 Power splitter simulation results

2.2 末级功率放大器

射频功率放大器主要由输入输出匹配电路、偏置电路、有源器件三部分组成[7]。通常的设计方法是：在工作频段内绝对稳定的条件下，设置的偏置电路应使有源器件的静态工作点位于线性放大区，并保证具有最大的线性度区间[8]；通过输入输出匹配电路的合理设计，实现有源器件对源阻抗和负载阻抗的匹配，从而保证功率放大器的增益、效率和输出功率。

为了最大化器件性能，本文采用负载牵引和源牵引相结合的方法设计匹配电路。牵引法设计的核心思想是在大信号的持续激励下，通过自动调节阻抗变换器，得到器件在不同阻抗下的效率值和功率值，并绘出等功率曲线和等效率曲线[9]。首先，调用负载牵引模板寻找最佳阻抗ZL，通过调整匹配网络、圆心和半径等参数，找到最大效率点和最大功率点，仿真结果如图4所示。

图4 负载牵引的仿真结果Fig.4 Load-pull simulation results

从图4可以看出，在最大功率点处，负载阻抗=1.436+j0.878，根据阻抗参数可运用史密斯圆图完成输出共轭匹配，并将输出匹配网络导入原理图中。源牵引法仿真过程同负载牵引法类似，这里不再赘述。针对输入输出匹配网络进行仿真设计和优化后，得到末级功率放大器的输入输出特性如图5所示。

图5 末级功放的输入功率和输出功率曲线Fig.5 Input power and output power curve of the final stage amplifier

由图5可知，当输入功率为30 dBm时，输出功率为41.809 dBm(满足15 W设计要求)，且工作点位于P1dB压缩点以内，在保证输出功率和线性度的同时，也兼顾了效率。

2.3 微带滤波器

随着频率的升高，集总参数滤波器的幅频特性受寄生参数的影响将越来越大，而分布参数滤波器在频率高端具有插入损耗小、一致性高的优点，但占用面积较大[10]。本文采用集总参数与分布参数相结合的电路设计方法，并通过Richards变换和Kuroda规则进行巴特沃兹低通滤波器设计，以获得体积较小、抑制谐波能力强、输出阻抗匹配和输出端隔离度好的效果[11]。

Richards变换的核心思想是将一段开路(短路)的传输线等效转化为分布的电容(电感)元器件[12]。一段终端开路的短截线可以等效为电容，其输入阻抗:

Zin=jwC=jY0tan(βL)=jY0tan(θ)。

(5)

其中θ为电长度，β为传播常数，L为传输线长度。以长度L=λ0/8的传输线为例，在工作频率f0处有

(6)

其中vp为相速度，Ω为归一化频率，由式(5)(6)可得

(7)

其中S=jtan(πΩ/4)。同理可得，一段终端短路的传输线等效为电感的Richards变换为

(8)

Kuroda规则通过加入微带传输线实现电路结构的相互转换，提出了四种易于设计和实现的转换规则，可将串联短截线变换为并联短截线[13]。

通过调用ADS自带的库函数，可以完成电路的转化[14]。设计采用的电路板材厚度为0.8 mm、介电常数为3.48。所设计滤波器特性的仿真结果如图6所示。

图6 微带滤波器S21频率响应曲线Fig.6 Microstrip filter S21 frequency response curve

从图6可以看出，滤波器通带内平坦度良好，带外衰减滚降快，对于北斗L频点载波的二次及以上谐波抑制度达到40 dB以上。

2.4 前置级和驱动级放大器

由链路分析可知，前置级射频功率放大器增益为8 dB，驱动级射频功率放大器增益为25 dB。为了适应输入信号的变化范围，前置级射频功率放大器设计成增益可调式，故选用了专用射频集成放大器，其功率增益范围为0～22 dB、P1dB压缩点输出功率为17.8 dBm。通过输入输出阻抗匹配网络的设计，分别实现与50 Ω实阻抗的匹配。

驱动级射频功率放大器选用线性增益为25 dB，在1.616 GHz处的最大输出功率可达30 dBm的射频集成放大器，以满足推动末级射频功率放大器的要求。

2.5 系统联合仿真

结合以上各单元电路的设计结果，对整个电路做系统联合仿真。三级级联射频功率放大器的总体仿真电路如图7所示。

图7 系统仿真电路原理图Fig.7 System simulation circuit schematic diagram

本射频功率放大器输入信号的频率为1.616 GHz，输入输出特性的仿真结果如图8所示。从仿真结果可以看出，当输入功率为0 dBm时，线性输出功率为44.79 dBm(满足30 W的设计要求)。

图8 系统输入功率和输出功率曲线图Fig.8 System input power and output power diagram

3 实物验证与测试

进行实物设计时，结合射频硬件电路的设计原则，准确设计走线阻抗，严格控制走线长度，并注意接地散热和腔体屏蔽等问题。板材选用Rogers4350B，该板材具有低插损、温度稳定性好等优点。完成PCB版图设计、电路板加工和元器件焊接后，实际设计结果如图9所示。

图9 射频功率放大器实物图Fig.9 RF power amplifier physical diagram

通电后，借助于频谱分析仪、网络分析仪等对电路参数进行调试，使其处于最佳工作状态。用伪码发生器调制单载波来模拟北斗BPSK调制信号，并作为本射频功率放大器的输入信号(输入功率电平为0 dBm)，可测得输出功率的频谱图如图10所示。

图10 输出功率频谱图Fig.10 Output power spectrum diagram

从频谱图可以看出，此时带内功率44.787 dBm(满足30W的设计要求)。当逐渐增大输入信号时，输出功率不再呈现线性地同步增大，说明射频功率放大器已开始进入非线性状态；而当逐渐减小输入信号时，输出功率随之线性地减小。可见此时功放工作状态刚好处于P1dB压缩点附近，功率放大器的线性度和效率都处于较高的水平。

4 结论

本文提出一种改进型三级级联射频功率放大器的设计方案。通过合理分配系统中各功能单元电路的技术指标，并对系统中的增益、线性度和S参数做详细分析，经过仿真设计和实物测试，验证了本设计方案的可行性。采用本文方法设计制作的30 W射频功率放大器具有稳定性好、效率高、谐波干扰小等特点，已应用于北斗卫星导航通信终端上。