射频功率放大器稳定性的分析与设计

陈少轶

摘   要：射频功率放大器在通信系统中已经得到大量应用，在实现信号放大功能中属于关键性构成组件部分。研制射频功率放大器必须要符合诸多的指标，而且不可缺少的一项就是稳定性。射频功率放大器是一种高频信号放大器，存在显著的内部无源元件寄生效应，放大器传输信号期间，可以导致信号源阻抗或负载阻抗等不能良好地匹配于放大器网络的现象，加之其他因素的影响，会容易让射频功率放大器出现正反馈，由此引发自激振荡，严重情况下损坏到设备。鉴于此，文章在分析射频功率放大器稳定性的基础上进行科学的设计，防止产生严重的损失问题，给实践工作提供有价值的指导。

关键词：射频功率放大器;稳定性;设计策略

研究射频放大器稳定性意义重大，可以保障设备安全地运行。但是在实际应用环节，各种因素的影响使得射频放大器自激引發设备损坏的情况不在少数。如果提前预知射频放大器稳定工作条件，便能够将放大器自激情况明显地减少，避免造成不必要的损失。本研究基于中科院微电子所自主研发的RF-LDMOS进行设计射频功率放大器，而且以栅极并联R-C电路模式，对功率放大器稳定性进行良好改善。

1    射频功率放大器设计的理论基础

首先，在射频放大器性能指标方面上，进行符合通信系统发射机需求的射频高效率功率放大器设计期间，应该达到相应的性能标准，也就是使得功率放大器具备良好的工作频带、稳定性以及增益性、输出功率等内容，而且稳定性、效率和线性度属于不可缺少的重要部分[1-2]。其次，在实际分类功率放大器方面上，对于功率放大器的分类，能够遵循晶体管导通角θ大小、晶体管等效电路两项指标展开分类，而且在晶体管导通角θ上。

2    稳定性的基本理论分析

首先，稳定性判定圆。做出功率放大器示意图分析以后显示，Гs，Гin，Гout，ГL分别表示信号源反射系数、输入反射系数、输出反射系数、负载反射系数。在功率放大器稳定的情况下，也就是指反射系数模低于1的数值，遵循反射系数跟S的参数关系，得到了Δ=S11S22-S12S21。把所有的参数表达为复数形式，将输出端口稳定性判定圆、输入端口稳定性判定圆导出。例如，将输出端作为例子分析显示（见图1），在ГL是0的情况下，|Гin|=|S11|，|S11|低于1时，原点就属于稳定区一部分，也就是ГL=0点，按照相同的原理，将输入端稳定性判定圆得出[3]。

其次，绝对稳定性条件。通过观察稳定性判定圆及稳定区域图可以明确地得到，|S11|<1，|S22|<1期间，如果具有||Cin|-rin|超过1的情况以及||Cout|-rout|超过1的条件，则放大器是处在绝对稳定状态中的。所以，得到K，B1两个稳定性因子，如果K>1的同时B1>0，此状态中达到绝对性稳定条件。另一种绝对稳定条件为表征史密斯圆图的原点到ГL或ГS平面上稳定性判别圆的最小距离，有两个因子，即μ，μ'，如果μ>1，则符合绝对性稳定条件，或μ'>1，达到绝对性稳定条件[4]。

3    稳定功率放大器的方法

通过以上的分析显示，射频功率放大器如果是基于反射系数为1以上的情况下，是在一种相对不稳定状态中。已知Гin超过1，Гout为1以上，采取输入输出阻抗表达，非稳定状态涉及两种，一种为Re{Zin}<0，另一种为Re{Zout}<0。所以，为了有效地将网络稳定性进行改变，主要是采取不稳定端口增加串联电阻或加入并联电阻的途径。例如，串联一个电阻于栅极，此举措能够将器件稳定于全部的频率上面[5]。

4    射频功率放大器稳定性设计策略

建立在RF-LDMOS器件基础上，此研究设计一款射频功率放大器，将R-C并联稳定电路加入到器件的栅极。器件型号是BLP10H605，通过实测以及采取ADS软件S参数去嵌入功能获得到小信号S参数。首先，将电路内栅极R-C并联电路去除，基于100～200 MHz频段范围之中，K<1，B1>0;μ低于1的情况下，放大器不稳定，如果具有越低的频率，则K，μ变得更小。观察输出稳定性判定圆表明，在增加频率基础上，稳定性判定圆跟史密斯圆图距离越远，放大器越稳定性更高，相照应于K，μ。另外，固定R3电阻值是50 Ω，将C8电容值进行改变，则始终是B1>0成立的状态，分析K因子于所需频段中有无超过1就可以，如图2所示。结果显示，如果具有过大的电容值，以及f0较小，那么超出f0频段的增益不能经电阻降低，不能改善稳定性。如果电容值非常小，同时，因具有过高的f0，那么所需频段中R-C电路都是表示电阻的，明显地降低放大器增益对于其性能构成的影响。

5    实物测试

通过仿真电路图进行印制电路板的设计，使得射频功率放大器功能良好的发挥出，进而对于栅极R-C并联电路对射频功率放大器稳定效果进行科学的验证。结果显示，所设计的功率放大器同软件仿真小信号S参数趋势、K因子趋势是具备一致性的，而且所需频段内的K超过1，B1因子在所需频段中是0以上，所以具有绝对稳定状态的功率放大器效果。

[参考文献]

[1]黄雨佳，韩永前，黄丽，等.射频功率放大器经典两盒模型的最优选取[J].强激光与粒子束，2015（10）：245-251.

[2]江明玉，刘太君，叶焱，等.基于广义改进型RBF网络的射频功放非线性建模[J].移动通信，2018（3）：64-69.

[3]黄亮，章国豪，张志浩，等.一种带有温度补偿电路的射频功率放大器[J].电子科技大学学报，2015（6）：814-817.

[4]周帅，刘成国，唐晓，等.基于射频功率放大器的阻抗匹配技术[J].河南科技大学学报（自然科学版），2018（5）：94-99.

[5]黄浩，钱骅，姚赛杰，等.基于坐标变换的射频功放预失真参数估计方法[J].通信学报，2015（1）：75-83.