高效率功率放大器设计

关键词：阻抗匹配；同轴巴伦；功率放大器

中图法分类号：TN722 文献标识码：A

1引言

随着通信技术的高速发展，业界对射频电路的设计提出了更高的要求，其需要同时兼顾高效率和大功率输出的设计要求，除此之外，对相关设备也提出了各项性能指标测试与高低温和电磁兼容性测试等实验。功率放大器的输出功率和效率是衡量放大器性能好坏的重要参数指标。根据功率放大器组件的应用场所不同，设计的要求也不一样，有些组件的工作频带很窄，有些组件的工作频带却覆盖好几个倍频，技术上采用几个工作频带分别覆盖的方式，从而实现UHF等波段信号的放大。部分研究者提出采用LC匹配网络实现超宽带输入输出匹配电路设计，可以实现12 MHz～1GHz的带宽，但是输出功率只有1 W，并且匹配电路需要很大的面积，从而影响了放大器的小型化设计，效率也不会太高。

如何兼顾输出功率和高效率是功率放大器设计的难点和重点，由于功率放大器的输出效率对通信系统的系统效率起到决定性作用，如何提高功率放大器的输出效率是提高通信系统效率的重要难题。高效率功率放大器一般称为开关类放大器，对高效率的开关放大器的工作原理进行分析，其主要是通过谐波阻抗的峰化控制三极管漏级的电压和电流波形，从而实现放大器的高效率。业界对高效率的功率放大器做了大量的研究，也发表了很多相关的研究成果。

本文设计了一個新型的高效率功率放大器，功放管选用的是推挽放大的三极管，该三极管没有外围的匹配电路，需要设计者根据设计要求独立设计，且三极管的输入阻抗和输出阻抗值很小，都是复数。如何实现高效率和足够的输出功率是放大器设计的关键。本文采用的是L型和π型匹配网络结合同轴巴伦实现输入和输出阻抗匹配电路，源阻抗和负载阻抗是以50Ω标准阻抗为匹配目标，匹配电容和隔直电容融为一体，从而实现功放组件的小型化和成本的最小化。经ADS仿真软件仿真，可以实现功率效率增加到85.7%，输出功率为45.3 dBm的设计指标。

2功放主电路设计以及三极管的选型

本设计的功放性能指标为：工作频率为13.56MHz；增益大于17dB;饱和输出功率大于45dBm（33W）。

根据本设计指标的要求，采用的推挽放大功放管为polyfet公司生产的SH703功放管，该管为VDMOS射频功放管，在一定的频率范围内可以实现高效率、高线性度和低噪声系数的设计指标。具体如图1所示。

推挽结构功放管具有源阻抗和负载阻抗比较高，线性度和热稳定性能良好的特点，器件内部反相输出大大降低了三极管的共模电感，且在一定程度上对输出的谐波有抑制作用。

3匹配电路设计

为实现功率放大器的输出功率和效率满足设计的指标要求，必须进行匹配电路的设计，匹配电路设计的好坏，直接决定了功放设计的成败。从组成上来讲，匹配电路包括输入阻抗匹配电路，输出阻抗匹配电路和级间匹配电路。

3.1同轴巴伦单端双端转换电路

巴伦的作用主要是实现功放输入和输出端单端信号与差分信号之间的转换，也可以把这种电路称为“平衡.不平衡”电路变换器，巴伦属于一种传输线变压器的变体。除了平衡不平衡变换，它还有阻抗变换的作用，并且平衡端的两路信号都具有180°的相位差，在推挽放大电路、宽带放大器、平衡倍频器和混频器电路中应用广泛，典型的电路图如图2所示。

巴伦的应用场景主要有以下几种。

作为传输线变压器，传输线变压器的结构组成是在一个高频的磁环上缠绕一组或者几组传输线，通过改变传输线的连接方式来实现“平衡.不平衡”变换：作为耦合性巴伦，使输入信号和输出信号隔离，但是工作频率比较低；阻抗变换型传输线变压器，可以实现1：1，1：4，1：16等变比的阻抗变换。通过将传输线缠绕在高磁导率的磁环上，使用很小的面积就可以得到很大的励磁电感，从而实现在工作频段内获得良好的频率响应。但是，传输线变压器也有缺点，当传输的功率比较高时，因为损耗而造成的温度上升会严重影响组件的性能。所以，在磁环的选择上应该重点关注高导磁率和低损耗的磁环。

3.2输入阻抗匹配电路设计

输入匹配电路对获得最大功率和最高效率的输出具有重大的决定作用，在放大器的设计中，输入阻抗网络一般采用的是共轭匹配的方式，由于功放的输入、输出阻抗跟频率具有非线性的关系，不可能在整个频带内都实现共轭匹配，因此具体设计时一般都是根据中心频率来做匹配，然后再做微调，以实现整个频带内的性能指标都达标。

本设计的功放管是SH307，输入匹配网络选择传输线变压器做平衡和不平衡变换，采用微带线代替电感，从而在一定的程度上减小电路的尺寸。输入匹配电路中还加了隔直电容，将三极管的栅极和信号源隔离。功放管在低频段的增益很高，如果设计不合理，就很容易引起震荡，又因为功放的工作频率为13.56 MHz，频率比较低，所以在输入端加一个电阻，保证在设计频段内保持稳定。具体的输入匹配电路如图3所示。

3.3输出阻抗匹配电路设计

本设计的输出属于推挽输出，三极管的差分信号输出经过匹配电路后，再经过平衡不平衡变换合成输出。匹配的作用就是实现最大功率和效率的传输，而复数阻抗可以用电阻和电抗元件串联或者是并联表示，而电抗元件值的大小计算比较烦琐，一般都是结合Smith圆图设计一个大概的估算值，然后再结合电路进行调试。本设计中的输出匹配电路采用L型匹配网络，与输入匹配电路一致，输出匹配电路也是采用微带线代替电感。本设计中输出端的隔直电容有两个作用，一是作为隔直电容防止漏级的直流信号短路到地，二是作为匹配电容参与匹配电路的工作，实际仿真时若这个电容的大小稍微变化，则输出功率和效率都有很大的变化。输出匹配网络中有用微带线作为匹配元件，此外匹配电路中也有实际的电感参与匹配，最后三极管的两路反向信号经过1：1的“平衡.不平衡”变换输出。输出端的巴伦变压器跟功率合成器的功能类似，都是合成差分信号输出。实际的仿真电路如图4所示。

4整体电路设计

整体仿真电路的左右部分如图5、图6所示。

从仿真电路中可以看到，供电电压为28 V，栅极供电电压为2.1V，漏级射频通路和直流供电部分用一个500 nH的电感作为高频扼流圈，以防止射频信号进入直流电流中形成串扰。

5仿真结果分析

从图7可以看出，功放在输入功率为28 dBm时，输出功率达到45.3 dBm，而在输入功率小于3dBm时基本上没有输出功率，因为功放管处在截止状态，随着输入功率的增加，输出功率也会跟着上升，增益也一样，当输入功率过小时增益是负的，当输入功率为28 dBm时，功放的增益为17 dB，此时的功率提高85.7%。从功率和效率来看，都满足设计指标。

6结束语

本文通过ADS仿真软件设计了一个频率为13.6 MHz的功率放大器，输入匹配网络采用1：1“平衡.不平衡”变压器、LC匹配网络和微带线作为匹配网络。功放三极管为推挽输出三极管。同样，输出匹配网络采用L型匹配网络，经过ADS仿真软件进行设计，实现输出功率为45 dBm，增益为17 dB，效率达到85%以上的设计指标。其对ADS进行放大器的仿真设计有一定的指导意义。

作者简介：

庞云（1985—），硕士，研究方向：计算机视觉。