基于改进简化实频技术的超宽带功率放大器设计

刘国华 周国祥 郭灿天赐 程知群

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室 杭州 310018)

1 引 言

无线通信基础设施的复杂性、通信标准和频率分段的日益增加，对功率放大器的效率和工作带宽提出了更高的要求[1]。随着5G通信的到来，收发机系统一直朝着低能耗、高效率和宽频带的方向飞速发展[2]。而匹配电路作为功率放大器的关键部分，其设计性能直接决定了功放的效率、带宽和功率等技术指标。因此，宽带匹配电路的设计是宽带功放设计的主要任务。

目前，设计者们对高效率功放带宽的扩展，通常采用连续类思想[3，4]来实现。连续类思想的功放通过增加谐波控制因子，扩大了最优阻抗解空间，但由此增加了匹配电路设计的难度。另外，设计者采用混合类[5—8]的谐波控制网络，在不同的频点下使功放分别工作在不同的类别(J/F/F—1)，拓展了功放的带宽，但与此同时也会增加电路的复杂性。滤波结构的阻抗匹配网络也被应用到功放的宽带匹配网络设计中[9，10]，该方法不仅要保证功放的工作频率在通带内，而且过渡带的衰减速度问题也是设计的难点。1977年，实频法由Carlin首先提出，它是一种基于线性分段近似逼近最佳特性的网络综合方法[11]，为宽带匹配网络设计提供了新的途径。1982年，Yarman在原始实频法的基础上，对算法进行了改进，提出了简化实频算法[12]。后来，该算法与电路设计相结合并被使用到功放的设计上[13]，尽管可以设计出宽频带电路，但是要实现性能良好的多倍频程宽带电路还是有一定的困难。

为了进一步拓展带宽，本文使用GaN HEMT(氮化镓材料工艺，使得器件输出功率水平可以得到大幅提高[14])晶体管器件，基于改进的简化实频算法，结合负载牵引技术，对功放的宽带匹配网络进行设计优化，完成了一款覆盖多个移动通信频段的超宽带功率放大器的设计。

2 简化实频法理论分析

2.1 传统简化实频法

图1所示为用散射参数表示的匹配网络。实频法将无耗的二端口网络用S参数表示

其中，n代表了网络中的元件数。h(s)与g(s)是n项的赫尔维兹多项式。

其他匹配网络的散射参数可表示为

通过无耗原则，得到g与h的关系。可以将传输功率增益(Transducer Power Gain， TPG)表示为

在整个频段内，尽可能的优化TPG，使其接近于设置的优化目标T，依据两者差值作为优化的误差函数。

2.2 改进的简化实频法

实验表明，在一个跨多倍频的带宽范围内，晶体管负载牵引最优阻抗数据波动较大，简化实频法使频带内所有频点优化到目标TPG是有困难的。因此传统的实频技术在多倍频上实现宽带匹配有局限性。针对上述传统实频技术的问题，本文对优化算法进行改进，在优化TPG的基础上，结合负载牵引技术对阻抗的分布规律进行分析，使阻抗呈圆形状分布于中心频点周围，可以在更宽的工作频带下发挥晶体管的潜能。

图1 散射参数的匹配网络

通过负载牵引技术得到晶体管负载的宽频各点的最优阻抗值，最优阻抗大致分布在一个区域内，选取中心频率点阻抗(Zcy+j·Zcx)与最边缘频点的阻抗(Zsy+j·Zsx)的虚部与实部的差值作为优化目标Zx和Zy

建立阻抗的误差函数

建立TPG的误差函数

其中，T(s)为设计出宽带匹配网络的传输功率增益(TPG); T0为初始设置的传输功率增益(TPG)优化目标。

使用最小二乘法对匹配电路的Terror(s)和负载阻抗Zerr同时优化，使TPG误差函数值尽可能趋近于0的同时，保证阻抗误差函数的值趋近于1，最终可以得到一个跨多倍频程的宽带匹配电路。由于负载牵引选取的是最优PAE轨迹，最终也会提升功率放大器电路的整体效率。

3 超宽带功率放大器的设计

在先进设计系统(Advanced Design System，ADS) 软件中，对晶体管的输出负载端进行负载牵引，获取0.5～2.7 GHz范围内10个频点的最优阻抗值，如表1所示。

将10个频点的最优阻抗值作为简化实频法的输入数据，进行宽带匹配网络的设计与优化。通过简化实频法得出了输出匹配网络的h与g具体表达式

将得到的h与g表示出匹配网络的传递函数，对其使用长除法进行变形，得到式(13)，式中变量S的系数就是所设计的LC结构

表1 各个频点下的最优阻抗值

图2所示为简化实频法得到的输出匹配电路，其是由集总参数的LC结构组成。集总参数宽带匹配网络还需要转换为微带拓扑结构，将利用到Richard和Kiruoda法则对其进行变换，对其适当的优化修正即可，优化得到的电路如图3所示。空心三角表示了晶体管负载最优阻抗的变化趋势，实心方块代表了变换后输出匹配的输入阻抗值的变化趋势。可以发现，实心方块曲线是围绕着中心阻抗点Z为圆心，呈现顺时针圆的趋势进行变化，优化的结果与实频法预想的结果相符合。表明优化的匹配电路可以在宽频带内实现匹配。

对图3所示的宽带匹配电路进行S参数仿真得到的结果如图4所示。在目标频段范围内，S11均小于10 dB， S21也趋向于0 dB，展现了良好的宽带特性，也验证了方法的可行性。功放的输入匹配电路采用阶跃式的匹配结构，在ADS中进行仿真优化。将偏置电路与输入、输出匹配网络放入到整个电路中，得到的整体拓扑结构如图5所示。

图2 简化实频法得到的输出匹配电路

图3 晶体管负载数据和输出匹配网络

4 实现与测试结果

前面利用电路仿真软件对提出的超宽带功率放大器进行了设计，验证了所提改进的简化实频算法的可行性。为进一步验证所提出方案的正确性，基于Cree公司的CGH40010F晶体管，采用Rogers4350B基板(H=0.76 mm， εr=3.66)对所设计的超宽带功率放大器进行了实物加工测试。其中，栅极和漏极的直流偏置电压分别为：VG=—2.7 V， VD=28 V。

对功放电路进行小信号测试，仿真与测试结果如图6所示。从图6中可以看出，在频带范围内，S21小信号增益最大14 dB。大信号测试结果如图7所示。在0.5～2.7 GHz频段内，输出功率为40.4～42.5 dBm，漏极效率为 64% ～75%，增益为 10～12.3 dB。

表2 是本文所设计的功放与近几年同类文献中的相关功放在主要技术指标上的对比，功率器件均采用氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN High Electron Mobility Transistor， HEMT) 器件。在工作带宽方面，本文设计的功放相对带宽为137%，高于其它文献中的带宽指标，不仅展示出了良好的宽带特性，而且在效率上也有优势。

5 结论

图4 匹配电路的S参数仿真结果

图5 整体拓扑结构

图6 小信号仿真与测试结果

图7 漏极效率、输出功率和增益仿真与测试结果

表2 本文与近几年论文中功放主要指标对比

本文基于改进的简化实频技术，采用Cree公司的GaN HEMT器件设计了一款可以覆盖多个频段的超宽带功率放大器。通过将传统简化实频技术与负载牵引的技术结合，在原有TPG优化的基础上，进一步完成阻抗特定区域的匹配，以实现功放的宽带化。实测结果显示，在0.5～2.7 GHz频带内，所设计的功放输出功率为40.0～42.5 dBm，漏极效率达到 64%～75%。实物测试结果表明了本文将宽带匹配算法应用于功放的设计，不仅扩展了其工作带宽，还适当提高了功放的效率，综合指标取得了较好的效果。