面向高线性场景的平衡式射频功放设计

王群亮，于平平，姜岩峰

(江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122)

0 引 言

伴随微电子技术的持续发展，高精度微波传感器[1]、远距离通信、微波医疗设备等逐步变为现实，这使得耐热型大功率器件不断出现，千瓦(kW)级别的射频功放逐步增多。在高线性领域，D,E,F类等开关类功放，虽然效率较高，但线性较低，对谐波控制的要求很高[2]，常常加入预失真等提高线性的措施，这又对边带信号的相位产生不良影响[3]；因此，在对效率并不敏感的驱动级传感功放，甲类功放仍使用较多。

然而，在高线性传感系统中，设计可靠的甲类功放会遇到诸多挑战。首先，功率管会发出大量的热量，容易使功放长期工作而严重发热失效。其次，功放中各种元件的大量存在，使得甲类功放出现各种噪声和谐波，尤其在双音信号中，其记忆效应会更加明显[4]。

为了克服以上设计难题，本文采用平衡式结构，同时对功放内部进行谐波控制，不但避免了单一功率管芯发热过高，又抑制了级间回波损耗；同时，由于抑制了谐波，减少了元件数量，既优化了单路功放的效率、保持了甲类功放的高线性，又提高了整个功放结构的合成效率。

1 平衡式功放的原理

本文采用的平衡式功放主要由两个完全相同的放大器以及两个3 dB正交耦合器组成，如图1所示。信号在经过输入端口后，由第一个耦合器将输入信号分为两路，这两路信号幅度相等，彼此相位差为90°，它们分别被功率管芯PTVA102001EA放大后，由第二个耦合器合成为一路信号。对于反射信号，由于正交耦合器的90°相移功能，使得反射信号一部分在耦合器输入端(端口1)相减而抵消；另一部分在耦合器的匹配端(端口4)相加被电阻R1吸收。同理，如果有信号从输出端(端口5)进入，则两个放大器输出端的反射被匹配端(端口8)吸收，注入信号没有被反射出来。

图1 功放整体架构

这种平衡式放大器级间反射低，有利于放大器的级联[5]。理论上任何形式的两个相同的3 dB耦合器都可以使用在该电路中。

2 具有谐波控制的平衡式功放设计

2.1 3 dB正交耦合器设计

典型的3 dB正交耦合器内部由4个λ/4传输线构成，其具体结构如图2所示。

图2 3 dB正交耦合器

在ADS中本文对其进行微带线电磁场仿真，然后对4个端口的长度以及R1的阻值作调谐分析，最终达到的性能如图3所示。由S(21)=-3.386 dB,S(31)=-3.349 dB可知，在1.1 GHz端口2和端口3的偏差在0.037 dB，具有较高的平衡度。

图3 耦合器的S参数

2.2 单个支路功放设计

支路的功率器件采用英飞凌公司LDMOS PTVA102001EA，对功放管芯的输入和输出端，分别进行阻抗牵引和匹配网络设计，源端最佳阻抗分别为2.148-j4.886 Ω，1.313-j0.303 Ω，在输出匹配网路中，本文创新性地将匹配网路和谐波控制相结合，以进一步提高线性和功放效率。最后，运用Momentum电磁场分析模式，对整个电路板图和元件模型进行电磁场联合仿真.因而最终设计的功放参数更加接近实际情况。

2.3 输出匹配网络的谐波抑制分析

功放电压电流波形主要由基波和谐波共同组成，考虑到能量在二、三次谐波中占比很多[6]，功率管芯的输入端谐波分量很小，因此，本文仅在输出匹配中对二、三次谐波进行控制，使其对二、三次谐波近似短路。另外，过多使用非线性元件同样会恶化甲类功放的线性，以非线性电感L0为例，为简化分析，其特性可用多项式函数表示为：L(v)=L0+k1v+k2v2。当输入双音信号v=A(cosω1t+cosω2t)时，则电感的输出信号

L(v)=L0+k2A2+k1A(cosω1t+cosω2t)+

k2A2cos(ω1t±ω2t)+k2A2(cos2ω1t+cos2ω2t)/2

(1)

可以看出，产生的直流分量k2A2，会叠加在L0上，形成附加电感，其电感值与输入信号幅值有关，恶化了电路的线性，降低了功放的不稳定性[7]。为避免分立元件增多，且兼顾谐控制需求，本文采用微带线与分立元件相结合的方法，其具体结构如图4所示。

图4 支路功放输出匹配网络

电感L1在参与阻抗匹配的同时，使匹配网络产生并联谐振，谐振频率为f0=1.1 GHz。设匹配网络谐振时的容性阻抗为Cx

(2)

可得

L1Cx=1/4π2f02

(3)

在ADS中本文对元件高频模型进行了多次调谐优化，并在远离f0的频域内，最终达到匹配网路与地之间对谐波的阻抗二次谐波的阻抗为0.018+j3.910 Ω，对三次谐波的阻抗为0.008+j8.393 Ω。图5为测试的S参数前后对比，可以看出，采用谐波控制后，二次谐波的S(21)参数从-7.405 dB下降到-23.136 dB,而且，在大于1.9 GHz后，S(21)均在-15 dB以下，抑制谐波效果比较明显。

图5 谐波控制前后S参数对比

3 功放的输出性能

由于3 dB正交耦合器对基波表现出较好的性能，本文在输出匹配网路中进行谐波抑制以后，在输入功率小于25 dBm范围，功放依然表现出很好的线性，这说明经过谐波抑制后，平衡式结构的线性得到了优化。另外，在1 dB增益压缩点时支路功放的效率为50.38 dBm，整个功放功率达到了53.23 dBm,功放的合成效率也达到了95 %。表1为本文和其他采用平衡式结构的文献合成效率对比，可以得出，本文的设计思路确实能进一步优化功放的合成效率。

表1 合成效率对比

4 结 论

针对射频传感领域等高线性场景所使用的功率放大器，提出了平衡式结构和谐波抑制相结合的设计思路，既发挥出平衡式功放的优势，又减小了平衡式结构对功放线性的影响。提高了射频功放的工作稳定性和效率，优化了功放的线性。同时，由于抑制了谐波频段，使得平衡式功放的合成效率达到95 %，合成后功率附加效率也高于30 %，表现了较好的优势，对优化传感系统功放设计和提高大功率功放的性能有普遍的借鉴意义。