宽带大功率放大器设计

陈小兵

摘要：本文介绍了一款输出功率大于200W的宽带功率放大器。该放大器的带宽跨越了5个倍频程，放大器使用推挽式场效应晶体管，采用负反馈技术、集总元件、微带混合宽带匹配电路实现，并加入自动功率控制（ALC）技术。通过ADS软件的仿真和反复调试，得到理想的结果。

关键词：放大器；宽带；大功率；负反馈；推挽

中图分类号：TN722.75 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）01-0199-01

功率放大器在众多通讯设备中起着关键作用。随着现代移动通信的快速发展，宽带、大功率的放大器有广阔的应用前景。

VHF/UHF波段由于波长较长，电路需要大量采用集总参数元件，电路中集中参数和分布参数电路的特性往往同时存在。按照传统的匹配电路设计思路和方法进行电路仿真设计，往往得不到较为满意的测试结果，因此宽带匹配技术是本次设计的难点。如何解决集总参数元件寄生参量对电路的影响，是设计此类电路的关键。

1 功率放大器的设计

1.1 设计指标

工作频段：30MHz～520MHz；输入电压驻波比：<1.5；增益： ≥53dB；输出功率：≥200W；谐波抑制：≥15dBc；杂波抑制：≥70dBc；附加效率：≥38%。

1.2 整体方案的设计

输入信号首先经过电调衰减电路，该电路主要用于ALC环路之中，在功率放大器的输出端接入耦合器，对耦合出来的射频信号进行检波来获得相应的电压，将电压反馈至电调衰减电路，完成对输入信号的控制。接着射频信号经四级放大链路进行放大，得到输出需要的大功率。放大器设计框图如图1。

此宽带功率放大器的增益高、频带宽、功率大，因此，加入了负反馈电路来保证功率放大器的稳定性。并在电路中增加自动功率控制（ALC）电路，控制最大输出功率。由于需要的增益较高，放大链路采用四级。预前级、前级选用集成放大器，工作在小信号状态下，这两级电路设计比较简单，可以为整个链路提供32dB的增益。后两级选用MOSFET场效应管，均为对管结构，推动级功放管采用SEMELAB公司的功率管，可以提供10dB的增益和大于10W的功率输出，末级功放管采用NXP公司的大功率LDMOS管，可以提供15dB的增益和大于200W的功率输出，后两级使用推挽平衡结构并使其工作在AB类，兼顾放大器的效率和线性。

1.3 稳定性及偏置电路设计

稳定性是放大电路基础。如果放大器在不稳定状态工作，功率管将会在某些频点和负载条件下产生振荡而造成损伤，所以在设计中要判定晶体管是否稳定。放大器的稳定性主要跟晶体管的S参数和匹配网络有关。放大器稳定的充要条件是：k>1，Δ<1。

其中：

本设计在级间适当加入有耗网络，并采用了负反馈技术，利用ADS仿真软件优化匹配电路，保证放大器工作稳定。

直流偏置网络决定了放大器的工作点，器件资料上给出的静态工作点和射频特性参数对于电路的设计有很大的参考价值，也可用仿真软件自带的直流扫描模板，确定功率管的工作点。通过优化偏置电路的串联电感和旁路电容，减小偏置网络对射频匹配网络的影响。

1.4 宽带匹配网络设计

功率管工作在大信号模式下时，管子的输入输出阻抗变化比较大，增益也会随频率的上升呈现下降趋势，须提供一个随频率按正斜率变化的匹配网络，来补偿增益的滚降，所以放大器的设计主要就是匹配网络的设计，也是重点和难点所在。特别是宽带功率放大器，匹配电路设计的合理与否，会直接影响放大器的各种指标和性能。本次设计采用了传输线变压器搭建平衡电路实现单级功率管及级间的良好匹配，加入负反馈增加放大器的工作带宽，主要设计工作通过ADS仿真优化，再根据实际测试结果进行调试。

1.5 ALC电路设计

为了避免功放因输入功率过大或产生自激时损坏晶体管和测试设备，我们在设计中加入了自动功率控制电路（ALC）。通过输出端耦合器对信号采样后进行检波处理，配合输入端的电调衰减器，来控制最大输出功率。

2 宽带功率放大器的仿真

2.1 推动级电路仿真

推动级放大器主要对前级输出信号进行进一步放大，为末级功放提供足够的功率推动。其匹配电路主要影响功率放大器的增益和增益平坦度。使用ADS仿真软件进行设计优化，目的是在兼顾放大器的增益、增益平坦度、稳定性的同时，达到最大的输出功率，最终功率曲线如图2所示。

2.2 末级电路仿真

末级放大直接提供功放的最终输出功率，其设计是整个功放的关键技术之一。NXP提供了单管的大信号模型，运用ADS的Load-Pull模板对晶体管进行大信号仿真，确定最佳负载阻抗。

确定最佳负载阻抗，只是为匹配电路设计及后期调试提供参考。本级采用的是推挽平衡式结构，它能改善功放的输入输出驻波比、线性度以及有效的抑制偶次谐波。匹配电路采用1：4传输线变压器来实现阻抗变换，通过仿真软件进一步仿真优化和调试，达到理想状态。

3 结语

本文介绍了一种宽带大功率放大器的设计方案。采用推挽平衡式宽带功放结构，运用传输线变压器、微带混合匹配技术，经实际测试，最终实现了全频段200W以上的输出功率，38%以上的附加效率和其它技术指标，达到了设计要求。

参考文献

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[4] Andrei Grebennikov.射频与微波功率放大器设计/Rf and Microwave Power Amplifier Design[M].张玉兴，赵宏飞，译.北京：电子工业出版社，2006.

Abstract：This paper introduces a broadband power amplifier with output power greater than 200W.The amplifier bandwidth spans five octave. push-pull MOSFET ，Negative-feedback technology， Microstrip and Lumped element mixed broadband matching circuits and ALC were used. The power amplifier was simulated using ADS and Was tuned repeatedly，then a desired result was obtained.

Key words：amplifier；broadband；high-power；negative feedback；push-pull