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30-512MHz 100W线性功率放大器极间匹配设计


集成电路设计与应用
IC Design and Application 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 DOI: 10. 3969 / j. issn. 1003 - 353x. 2011. 09. 014

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512 MHz,100 W 线性功率放大器极间匹配设计
李俊敏
( 中国电子科技集团公司 第十三研究所 ,石家庄 050051 )

摘要: 设计了一种独特的极间匹配网络 ,使驱动放大器的输出阻抗直接匹配到末级放大器的 输入阻抗,而不通过极间50 Ω 匹配转换。 应用这种极间匹配网络, 提高了30 512 MHz,100 W 功率放大器的线性输出功率和效率 ,同时简化了匹配网络,减少了匹配元件,缩小了功率放大器 的体积。这种极间匹配网络是通过集中 L、 C 匹配网络与宽带同轴传输线变压器相结合实现的。 应用 ADS 软件模拟以及计算集中 L、C 元件的值和同轴电缆的长度,使设计的极间匹配网络在近 十个倍频程的频带内获得最佳性能 。 关键词: 线性功率放大器; 宽带; 极间匹配; 传输线变压器; ADS 软件 中图分类号: TN722 文献标识码: A 文章编号: 1003 - 353X ( 2011 ) 09 - 0710 - 04

Interstage Matching Design of 30 - 512 MHz 100 W Linear Power Amplifier
Li Junmin
( The 13 Research Institute,CECT,Shijiazhuang 050051 ,China)
th

Abstract: A unique interstage matching network was designed that goes directly from the output impedance of the driver to the input impedance of the final stage without crossing 50 Ω matching transform. The linear output power levels and drain efficiency of a 30 - 512 MHz RF power amplifiers with 100 W linear output power were improved. The matching network was simplified. The space and components were reduced. The interstage matching network is realized by embedding a lumped matching network into a broadband coaxial transmission line transformers matching network. To achieve the optimal performances over more than a decade bandwidth of the designed networks,ADS software was used to simulate and compute the value of the lumped element and the length of coax. Key words: linear power amplifier; broad band; interstage matching; transmissionline transformer; ADS software EEACC: 2570P 入、输出 都 匹 配 到 50 Ω, 级 联 组 成 多 级 放 大 器。 通常50 Ω系统中源和负载是纯阻性, 电感 - 电容 ( LC ) 网络无法用来实现宽带匹配电路。 相反, 实 际中有源器件的源和负载阻抗往往都有虚部 ,因此 匹配网络需要有两方面功能: 一是抵消虚部,另外 是变换实部。当带宽变换比很大时,这种阻抗变换 只能由变压器来完成。不同阻抗变比的变压器可以 通过不同的连接方式来实现, 因此在传统设计中, 为了 使 功 率 管 的 输 入、 输 出 匹 配 到 50 Ω, 输 入、
2011 年 9 月

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引言
为了实现多个倍频程的远距离实时通信 ,需要

设计一种覆盖所有电台频段的小型化线性功率放大 [1] 器 。功率 放 大 器 的 关 键 指 标 是 工 作 带 宽 30 512 MHz,线性输出功率 P - 1 不小于 100 W, 功率 放大器工作在调频状态下, 载波输出功率 PEP 为 100 W,双 音 频 率 间 隔 700 kHz 时, IM3 不 小 于 - 30 dBc。一般的设计方 法 是 使 每 一 级 功 率 管 输 710 半导体技术第 36 卷第 9 期

李俊敏

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512 MHz,100 W 线性功率放大器极间匹配设计

櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 输出分别需要传输线变压器 ( TLT ) 来完成宽带匹 配
[2 ]

。TLT 的寄生效应和插入损耗随着频率的升高

。当 f 为 520 MHz 时, 末级功率管 A2 的输入 阻抗为 Z in = 2. 3 + j2. 2 Ω, 工作电压 V DD = 28 V, 半 饱和电压 V DD( sat) = 5 V,使用 Steve Cripps 规律计算 A2 的最佳输出负载阻抗[5] [V ]2 ( 28 - 5) 2 DD - VDD( sat) RL = = = 2. 2( Ω) 2Pout 2 ? 120 ( 1) 因此 A2 的输入和输出都分别用一个 4? 1 巴伦 TLT 完成匹配。 1. 2 新型级联匹配电路设计 功率管 A1 和 A2 低频时的功率增益裕量较大,

[4 ]

而增大,降低了放大器的线性输出功率和效率 ,同 时也限制了电路布局空间的小型化 。本文主要论述 了30 512 MHz,100 W 线性功率放大器的末级功 率管和驱动功率管的小型化极间匹配电路的设计方 法。在传统宽带匹配电路基础上,保留驱动功率管 的输入匹配电路和末级功率管输出匹配电路 ,由两 级功率管的输入输出阻抗计算出极间匹配所需要的 阻抗变换比及 TLT 所用同轴电缆的阻抗, 结合集 中匹配网络使这种极间匹配在全频带内实现最佳匹 配。

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1. 1

电路设计
50 Ω 级联匹配电路设计 平衡推挽工作方式的场效应晶体管输入阻抗

随频率的变化每升高一个倍频程, 增益下降6 dB , 且频率越低,输入、输出阻抗越高。在实现多个频 程的宽带匹配中,基于增益、线性输出功率、效率 和稳定性考虑,匹配侧重于频带的高端,采用有损 宽带匹配兼顾低端。 在 f 为520 MHz 时, 为了实现 A1 的输出负载阻抗 Z L = 36 + j30 Ω 到 A2 输入阻抗 Z in = 2. 3 + j2. 2 Ω的匹配,应用一个 4? 1 平衡 - 平 衡的传输线变压器,其中同轴电缆的阻抗 Zo = 槡 Zout ·Zin = 槡 36 ? 2. 3 = 9. 1( Ω) ( 2 ) Z in 为 TLT 输入端阻 式中: Z out 为 TLT 输出端阻抗, 抗。兼顾频带低端选取阻抗为10 Ω 的同轴电缆, 电 [6 ] 缆的长度小于最高频的 1 /8 波长 ( f 为512 MHz, λ /8 为50. 5 mm) , 穿过磁导率 μ 为 40 双孔磁芯后, 计算在全频带内达到最佳阻抗变比的电缆长度 l 为 60 mm, 两根60 mm长的10 Ω同轴电缆构成 4? 1TLT。 表 1 是应用 ADS 软件计算一个标准4? 1 阻抗变换器 ( 图 1 ) 在全频带内对50 Ω的转换结果。 表1
Tab. 1

高、线性好,其热稳定性、抗失配能力和可靠性都 有优势, 且器件内 180? 相位差虚拟地降低了共模 电感,增加了稳定性和工作带宽,还能抑制偶次谐 波
[3 ]

。根据这些特点, 末两级选用平衡推挽工作

方式的场效应晶体管,分别为 A1 和 A2 。在宽带高 功率的应用中, 功率管的输入、 输出阻抗非常小, 集中元件匹配无法满足要求。为了在全频带内获得 最大的线性输出功率和足够的增益,1? 1 巴伦结构 的传输线变压器应用于推挽功率放大电路作为功分 和合成,由 1? 1 巴伦构成的 4? 1 和 9? 1 巴伦 TLT 作 为输入、输出匹配。 线性输出功率是整个功率放大器的主要指标, 设计主要采用了功率回退来保证线性指标 。使用功 率回退法时,从末级开始,逐级往前的每一级放大 器的线性指标都要比后级更好。功率回退法的不足 是效率低、输出功率受线性度要求制约明显 。为了 提高效率,希望在满足线性度指标的同时,末级功 放管尽量饱和工作,让驱动功放承担更多的线性指 标。在功率放大器中驱动功率管设计为输出线性功 率5 W,带内增益13 dB ,设计 A2 的输出线性功率 ( P out ) 120 W, 带内增益 14 dB 。 在低频端, 器件 的输出负载阻抗比计算出的输出负载阻抗更高 。随 着 频 率 升 高, 输 出 电 容 ( C oss ) 、 反 向 电 容 ( C rss ) 和增加的饱和压降都使得最佳输出负载降 低。相差一个倍频程, 最佳输出负载阻抗下降一
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全频带内同轴电缆 4? 1 TLT 阻抗转换

4? 1 coaxialcable TLT impedance transformation across the frequency band

f / MHz 30 130 230 330 430 520

同轴电缆 4? 1 TLT 对 50 Ω 阻抗变比 Z in ( 实部) / Ω 11. 10 13. 07 12. 87 12. 60 12. 41 12. 36 Z in ( 虚部) / Ω 4. 92 0. 94 0. 17 - 0. 05 - 0. 04 0. 05

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Fig. 2 图 1 同轴电缆 4? 1 TLT Fig. 1 4? 1 coaxialcable TLT

图 2 同轴电缆 4? 1 TLT 加电容匹配网络 4? 1 coaxial TLT with capacitors matching network

表2
Tab. 2

同轴电缆 4? 1 TLT 加电容匹配网络阻抗转换
4 ? 1 coaxialcable TLT impedance transformation with capacitors matching network

在30 MHz时, 因为电抗分路损耗造成变换比例 下降, 这可以由铁氧体磁环来补偿。随着频率升高, 功率管的阻抗减小, 单纯由 4? 1 的 TLT 无法完成高 , 频端的极间匹配 因此还需加上电容、 电感集中匹配 。 网络实现宽带线性功率匹配 传统的设计是应用同 轴 TLT 匹配低端, 加入额外的低通集中匹配网络降 低高端的阻抗, 实现匹配。 本设计中应用同轴电缆 的等效电感作为 Π 型匹配网络的电感单元, 再加上 如图 2 所示。 计算 贴片电容完成高端的阻抗转换, 阻抗 出的阻抗转换结果 ( 表 2 ) 说明随着频率增加, 降低。仅用一个 TLT 实现了全频带内的极间匹配, 利用这种新型极间匹配设计出 A1 和 A2 级联放大 电路如图 3 。

f / MHz 30 130 230 330 430 520

同轴电缆 4? 1 Z in ( 实部) / Ω 11. 91 10. 07 7. 29 6. 64 7. 21 7. 86

TLT 对 50 Ω 阻抗变比 Z in ( 虚部) / Ω 4. 13 - 2. 17 - 0. 79 1. 42 2. 95 3. 20

Fig. 3

A2 级联匹配原理图 图 3 新型 A1 , Principle new type two stage matching schematic

3

测试结果与讨论
在 30 512 MHz 工作频率 内, 采 用 Agilent 的

E3631 高精度电源在28 V 下, 测试两种级联匹配方 式功率放大器的线性输出功率 ( P -1 ) 、 效率如图 4 所示。从测试结果中可以看出, 采用新级联方式功
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4

结论
设计的集中电容与同轴电缆传输线变压器结合

减少了过渡匹配元件, 使得功 的新型极间匹配方式, 率放大器在多个倍频程带宽内提高了线性输出功率 和效率。采用这种新型极间匹配减小了功率放大器 布局空间, 为小型化创造了条件。 参考文献:
[ 1] 高葆新 . 微波集成电路 [ M] . 北京: 国防工业出版 社,1995 : 75. [ 2] 谢嘉奎 . 电子线路 ( 非线性部分) [ M] . 4 版 . 北京: 2000 : 101 - 102. 高等教育出版社, [ 3] GREBENNIKOV A. RF and microwave power amplifier design [ M] . USA: The McGrawHill Companies, Inc, 2005 : 203 - 205. [ 4] GENTZLER C G, LEONG S K. Broadband VHF / UHF J] . High amplifier design using coaxial transformers [ Frequency Electronics,2003 ,5 : 42 - 51. [ 5] SAHAN N,INAL M E,DEMIR S, et al. Highpower amplifier design 20 –100 MHz linear and efficient power[ J] . IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2008 ,56 ( 9 ) : 2032 - 2039. [ 6] WALKER J L B, MYER D P, RAAB F H, et al. Transmission line transformers in classic works in RF M] . Norwood,MA: Artech House, 2006. engineering [ ( 收稿日期: 2011 - 04 - 06 ) 作者简介:
李俊 敏 ( 1980 —) , 男, 江 西 人, 工 程 师,主要研究方向为射频、微波功率放大器的 设计。

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