0.5～2.5 GHz超宽带高功率功率放大器设计

邓方全 周永宏

DOI：10.16246/j.issn.1673-5072.2024.04.013

收稿日期：2023-04-24  基金项目：西华师范大学国家一般培育项目（19B025）

作者简介：邓方全（1997—），男，硕士研究生，主要从事射频功率放大器研究。

通信作者：周永宏（1979—），男，博士，教授，硕士生导师，主要从事电磁超材料设计与应用、微带天线等研究。

E-mail：18181114320@163.com

引文格式：邓方全，周永宏.0.5～2.5 GHz超宽带高功率功率放大器设计［J］.西华师范大学学报（自然科学版），2024，45（4）：438-443.［DENG F Q，ZHUO Y H.Design of 0.5～2.5 GHz power amplifier with ultra wideband and high power［J］.Journal of China West Normal University （Natural Sciences），2024，45（4）：438-443.］

摘  要：本文首先对NXP半导体公司生产的MMRF5014H射频功率氮化镓晶体管进行源牵引和负载牵引获取晶体管的源阻抗和负载阻抗，再采用切比雪夫阻抗变换器进行阻抗匹配，设计了一款工作频率在0.5～2.5 GHz范围内的超宽带、高功率、高增益的功率放大器。仿真结果显示：在工作频带内饱和输出功率范围为50.09 dBm（102.1 W）～51.53 dBm（142.1 W），增益范围为10.09～11.66 dB，功率附加效率为 49.61%～65.08%。

关键词：超宽带；高功率；高增益；功率放大器；阻抗匹配

中图分类号：TN837    文献标志码：A    文章编号：1673-5072（2024）04-0438-06

射频功率放大器是组成发射机的重要部分之一。传统线性功率放大器的工作频率较高，但其工作带宽较窄，限制了其应用场景，而宽带功率放大器由于其宽频带特性，可在多频段上使用，射频功率放大器的负载回路通常使用选频网络来选择频率。根据电流导通角度的差异，射频功率放大器可被归为三种工作状态，分别是甲、乙、丙三类（即A、B、C三类）。甲类放大器的电流导通角为360°，晶体管导通通道一直保持开启状态，其输出信号不存在失真，但效率低，通常在30%以下，适用于低功率放大器；乙类放大器的电流导通角为180°，存在较大的失真，但效率较高；丙类放大器的电流导通角则不足180°，失真严重，但理论效率可达100%。由于大功率放大器的输出功率大，若选用效率低的功率放大器，则大部分能量将以热量的形式散发掉，造成设备发热，而放大器长期工作在温度较高的环境下会降低其使用寿命，因此通常选用乙类或丙类等效率较高的放大器进行大功率放大器的设计。但效率和线性度的变化是相反的，获得高效率的同时也意味着线性度的恶化。

在设计射频功率放大器时，设计师关心的首要技术指标是输出功率和效率。因此，在工作频带内如何获得最大输出功率和效率成为射频功率放大器设计的首要目标。在射频功率放大器中，当功率输出接近饱和，即功率放大器工作在非线性工作状态时，会加大谐波失真，通常会在电路中加入LC滤波电路来滤除谐波，以实现对信号的无失真放大。此外，为防止谐波分量干扰其他通道，输出的谐波分量应尽可能小。

在通信系统中，基带信号经过变频后往往幅度较小，需要通过功率放大后才能送到天线辐射出去。而随着技术的快速发展，对通信系统、干扰系统等的带宽、功率要求在不断提高，但是功率和带宽往往难以兼顾［1］。本文在此应用背景下，采用传统的窄带放大器（MMRF5014H），通过阻抗匹配的方式，使其带宽扩至0.52～5 GHz，覆盖传统的GSM、导航、军用数据链、雷达、微波能等应用频段，在获得高功率的同时，还保证较高的效率和增益，极大地提升了该款芯片的通用性和性价比。

1  功放管及介质基板

氮化镓（GaN）材料具有高电子迁移率，可在很大程度上提高半导体的性能。相比于其他材料，以GaN材料制成的功放管可以在更宽的频带下拥有更高的增益和更高的效率，而且它的高活化能提供了良好的热性能，以及更高的击穿电压，可承受更高的能量和更加恶劣的环境条件。经过多年的发展，目前第一代半导体材料硅（Si）、锗（Ge）和第二代半导体材料砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）在输出功率方面已经达到了极限，输出功率难以再提高，而GaN半导体具有良好的热稳定性，可轻松实现高工作脉冲宽度和高工作比，极大地提升了天线单元的发射功率。此外，GaN材料的高温结和高导热性等特点，大大提高了器件在不同温度下的工作可靠性。目前，GaN正逐渐取代GaAs，成为制造宽频谱、高功率、高效率的微电子、光电子等器件的关键基础材料，在高功率器件中的应用越来越广泛［2］。

基于第三代半导体材料GaN具有饱和电子速率高、击穿电压高、热导率高、频带宽等诸多优势，为实现超100 W（50 dBm）的输出功率，此次设计选用NXP半导体公司的MMRF5014H射频功率氮化镓晶体管。查阅数据手册，该晶体管漏极采用50 V的工作电压，可工作于1～2 700 MHz频带范围内，饱和功率输出可达125 W（约51 dBm），能够满足设计目标。

在本次设计中，介质基板选用介电常数为3.66，正切损耗角为0.003 7的罗杰斯RO4350B高频板材。该板材的介电常数具有严格公差控制，同时具有低损耗特性，完全兼容传统的PCB制造技术，不需要作前处理流程（PTFE板材需作等离子处理），阻焊工序也可以磨板，相比传统微波材料层压板价格更低，被广泛应用于有源器件和高功率射频设计中。此外，考虑到在加工及装配过程中基板可能出现断裂的问题，所选基板应具有较强的机械硬度，遂选择厚度为0.762 mm的基板。

2  静态工作点选择及稳定性分析

静态工作点是指当放大电路处于静态时，电路所处的工作状态。通过对静态工作点的设置可确定放大电路的电压和电流的静态值，也就是加载在放大电路上的直流电压和直流电流的值。如果静态工作点设置不当，放大器电路将出现严重的失真。当静态工作点过高时，在放大交流信号时可能会出现饱和失真；而当静态工作点过低时可能会出现截止失真。因此，选择一个合适的静态工作点可以防止放大电路产生非线性失真，保证电路具有良好的放大效果［3］。对于射频功率放大器来说，要使晶体管能够正常的工作，必须使晶体管在工作的频段内稳定，否则可能在某些工作频率和终端条件下产生振荡，导致损坏功率放大器。常用的稳定措施是在晶体管前串联一个RC并联电路，或者在晶体管前并联一个RC串联电路接地，某些晶体管用稳定性比较差，仅用一种措施达不到稳定要求，需将两种措施一起使用。

在官网下载MMRF5014H仿真元件模型，并参考Datasheet给出的参考数据。漏极电压供电为50 V，栅极电压选取-2.7 V，对晶体管模型进行直流扫描，仿真结果显示漏极电流为360 mA，与Datasheet上的350 mA结果相近。当稳定因子大于1时，功率管在整个带内稳定，否则将存在潜在不稳定，晶体管会产生自激现象。结果如图1所示，只对晶体管进行稳定性扫描时（未加稳定电路），在低频带内的稳定因子小于1，在晶体管仿真模型前加入图2中的RC并联稳定电路后，此时在该频带内的稳定因子都大于1，电路稳定。

3  偏置电路设计

偏置电路的作用是为放大器级提供一个合适的偏置电流，并确定放大器的静态工作点。对于输入级，通常则需要一个相对较小的偏置电流；对于输出级，功率输出一般都比较高，需要较大的偏置电流和较大的偏置电压，以提高放大器的输出功率。

栅极偏置电路和漏极偏置电路均用中心频率为1 500 MHz，长度为λ/4的微带线来设置。其中，栅极电流较小，微带线宽度选用为1 mm，串联一个小电阻提高栅极电路阻抗以减少信号泄露并且可以保护晶体管被静电电流烧毁；漏极电流较大，考虑微带线承受能力，选用1.1 mm宽度的微带线。栅极偏置电路和漏极偏置电路电源端皆并联容值为10、100、1 000 pF的接地电容，防止交流信号进入栅极端和漏极端，同时起到滤除杂散信号的作用。

4  阻抗值获取

在功率放大器阻抗匹配电路设计前，需要获取晶体管的源阻抗和负载阻抗，才能进行阻抗匹配设计。负载牵引方法是获取阻抗的常用方法，通过不断调整输入和输出端阻抗，找到使有源器件输出功率最大的输入阻抗匹配点和输出阻抗匹配点或者是使功率管效率最大的阻抗匹配点。在这里，功率最大匹配点和效率最大匹配点往往是2个不同的点，设计时通常将两者折衷处理，以同时获取较高的功率和效率。负载牵引方法可以准确地测量出在大信号条件下器件的最佳性能，反映不同频率和输入功率下的输入和输出阻抗作的变化特性，为器件和电路设计的优化提供坚实的基础。

通过调用仿真软件负载牵引模板对所选晶体管进行源牵引与负载牵引，以0.5 GHz为步径选取频点进行仿真，结果如表1所示。从表中可以看出所选晶体管的源阻抗及负载阻抗变化的大致范围，输入实阻抗为4.7～2.7 Ω，虚部数值较小。因输入阻抗可匹配范围较大，所以在1.5 GHz处的阻抗虽看似突兀，但却是正常的，若将该点的4.7 Ω改为3 Ω，对功率、效率的仿真结果影响较小。输出阻抗的实阻抗为10～3.9 Ω，虚部数值为6～4 Ω，但输出阻抗可匹配范围小，在阻抗匹配时要满足宽频带内匹配难度较大。

5  阻抗匹配及设计

在射频电路中，阻抗并不是固定值，而是随着频率的变化而变化，通常来说，频率越高，阻抗越小。阻抗匹配主要是将输出阻抗、负载阻抗与传输线的特性阻抗匹配至相近或相等，所以阻抗匹配的匹配效果越好，传输功率就越大，当负载阻抗与电源的内阻相等时，输出功率达到最大，此时，所有能量的都被传递到负载。在阻抗匹配电路设计中，传统窄带放大器的端口匹配通常采用共轭匹配来设计，具体设计方法为在Smith圆图中通过串联或并联电容电感来达到共轭匹配状态，可获得最大输出功率。但是功率放大器在宽频带下的输入输出阻抗变化较大，此时再使用共轭匹配只能满足频带中的一个或几个频点的匹配。因此，相较于窄带放大器，宽带放大器的匹配电路设计难度更大。在设计功率放大器匹配电路时，需要注意到输入与输出匹配电路的不同作用，输入匹配电路设计首先要保证系统在频带内稳定，这也是为什么需要在输入匹配电路中加入RC并联稳定电路的原因。其次是降低功放的增益波动。在宽带功放设计时，每倍频程增益将降低4～6 dB，此时低频与高频的增益相差较大，但在某些功放中对增益平坦度要求较高，设计时常常使输入匹配在低频处的阻抗失配以降低增益，以此来提高增益平坦度。再次是降低输入反射系数。功率放大器的源阻抗一般都很小，匹配难度很大，好在对于多数功放来说输入匹配对功放输功率和效率影响较小，可允许在带内有一定程度的失配。输出匹配电路设计首先要抑制各次谐波。在功放系统中2 次、3次谐波的影响较大，且不容易滤除。为了很好地抑制各次谐波，输出端口通常会使用带通形式或者低通形式的滤波电路。其次是降低输出反射系数。输出匹配电路反射系数越小，输出匹配效果越好，其输出功率和效率越高，损耗越低。

在经查阅大量资料后收集到宽带匹配电路的设计方法大致有阶梯阻抗变换器匹配［4-5］、实频法［6-7］、利用仿真软件直接优化设计［8］、传输线变压器加载铁氧体磁芯技术［9］、阻抗变压器［10］、滤波器匹配［11］等。

在阻抗匹配设计时，设计者为了降低匹配难度，通常选择中心频点处的输入输出阻抗进行匹配，有时也选择所选频点的平均阻抗来进行匹配，此次设计选择前者。从表1中可以看出各个频点的阻抗数据，输出匹配电路以频带中心频点阻抗（5.0+j*5.0）Ω作为阻抗匹配点，先连接一条λ/8的微带线将复阻抗转变为实阻抗，再采用4阶切比雪夫阻抗变换器匹配，此外还添加了一条短路线在低频处产生谐振，扩宽频带。输入匹配电路的频带中心频点阻抗（4.7-j*0.3）Ω的虚部数值较小，可忽略，直接选取4.7 Ω作为阻抗匹配点并采用与输出匹配电路同样方式进行阻抗匹配［12］。这里采用的阻抗匹配方法只是为仿真提供一个良好的初始值，后续还需要进行适当的优化，优化时需要将偏置电路、稳定电路以及输入输出匹配一起优化，因为微带偏置电路的宽度、长度以及电阻阻值以及稳定电路的电阻阻值、电容大小都会影响匹配度。

将各部分电路连接后其原理如图3所示，其中C1和C11为输入输出隔直电容，C2与R2组成RC并联稳定电路，TL12和TL14为输入输出微带偏置，并在微带偏置上加入旁路电容滤除杂散信号，其余微带组成切比雪夫阻抗变换器。

将图3电路仿真原理进行小信号S参数仿真并优化，最终结果如图4所示：小信号增益S21>17.5 dB，曲线总体呈下降趋势，是因为功放设计时每倍频程增益将降低4～6 dB。在0.5 GHz处增益较低是因为输入匹配调节的结果。S21曲线起伏范围不到3 dB，平坦度效果良好。输出反射系数S22<-9.8 dB，其曲线左右基本对称，符合切比雪夫阻抗变换器匹配特征，匹配效果良好。

6  谐波平衡仿真

谐波平衡法可用于分析信号的频域特性，在非线性电路的分析方面有着出色的表现。在信号处理时，谐波平衡法通过对调制的周期信息的傅里叶级数展开式来分析其频域特性。从数学的观点来看，这种方法其实是一种迭代方法，通过迭代计算，其结果可以近似逼近满意的解。与时域暂态分析相比，谐波平衡法可以直接获得稳态频率响应，并进行频率积分的暂态分析，使建立的模型在高频段的频域特性描述更加快速、准确；通过这种方法可获得非线性电路的饱和电平、噪声系数、本振泄漏、三阶互调、中频抑制、图像抑制和组合干扰等方面的大致数据，非常适用于对射频和微波电路的仿真分析［13］。

在此次设计中，S参数只是在小信号输入下获得的关于放大电路的线性参数，当功率放大到一定功率后，晶体管会出现失真，此时放大电路将不再是线性特性。采用谐波平衡仿真可对其进行大信号的非线性仿真，可仿真出与放大器有关的非线性量，如输出功率、效率等。在仿真软件中插入谐波平衡仿真模板，并设置相应的参数。优化后谐波仿真结果为图5所示，其中m1和m2、m3和m4、m5和m6分别为输出功率、增益及功率附加效率的最小值和最大值。在频带内，饱和功率输出范围为50.09 dBm（102.1 W）～51.53 dBm（141.2 W），增益范围为10.09～11.66 dB，增益平坦效果好，功率附加效率为 49.61%～65.08%，实现了在高功率输出的情况下同时保证了高增益和高效率的良好性能。

7  结  论

本文通过对NXP半导体公司生产的MMRF5014H射频功率氮化镓晶体管进行源牵引和负载牵引获取晶体管的源、负载阻抗，再采用切比雪夫阻抗变换器进行阻抗匹配，设计了一款工作频率在0.5～2.5 GHz的超宽带、高功率、高增益的功率放大器。该功率放大器相对于传统窄带应用，在牺牲较少效率（约10%）的条件下，实现了超宽带的应用，极大地拓展了其应用领域，与市面上现成的内匹配功率管相比，具有更高的效率及性价比。但此设计也存在明显的不足，首先是采用阶梯阻抗匹配方式，输入输出微带匹配长度较长。其次，此设计只仿真了单路功放，而对于功率放大器来说，单路功放的性能不如双路或多路稳定。最后是未进行加工测试，设计只停留在仿真阶段。在后续的工作中将会对以上问题进行不断改进。

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Design of 0.5～2.5 GHz Power Amplifierwith Ultra Wideband and High Power

DENG Fang-quan，ZHOU Yong-hong

（School of Electronic Information Engineering，China West Normal University，Nanchong Sichuan 637009，China）

Abstract：This paper first performs source pull and load pull on the MMRF5014H RF power gallium nitride transistor produced by NXP Semiconductor Company to obtain the source impedance and load impedance of the transistor.Then，a Chebyshev impedance converter is employed for impedance matching to design a power amphifier with ultra wideband，high-power，and high gain that operates in the frequency range of 0.5～2.5 GHz.The simulation results show that the saturated output power range within the working frequency band is 50.09 dBm（102.1 W）～51.53 dBm（142.1 W），and the gain range is 10.09～11.66 dB，while the power additional efficiency is 49.61%～ 65.08%.

Keywords：ultra wideband；high power；high gain；power amplifier；impedance matching