一种宽带功率放大器设计实现

引言

宽带功率放大器作为通信、电子对抗和雷达系统的核心组件，其设计需在宽频带内同时实现高功率、高效率及良好的线性度。传统的窄带匹配网络难以满足 500～2500MHz 的宽带需求，阻抗匹配拓扑的选择成为设计的关键挑战。氮化镓（GaN）器件凭借高击穿场强、高功率密度和优异的热稳定性，为宽带高功率放大提高了理想平台，但其低输入/输出阻抗特性加剧了宽带匹配的难度。当前宽带匹配方案通过分布式渐变线匹配和集总式滤波器匹配的优劣对比。

一、宽带功率放大器设计方法

（一）核心设计目标

频率范围：500～2500MHz；

输出功率（P1dB）：≥10W；

功率增益：13dB；

输入驻波比：＜1.8：1；

（二）印制电路板板材选择

针对500～2500MHz、10W 功率放大器的印制电路板板材选择，需要重点考虑高频性能、功率容量、散热能力以及成本。以下是关键考量因素：

a）介电常数（Dk）及其稳定性

重要性：Dk 影响信号传输速度、阻抗（传输线宽度），在高频下，Dk 一致性至关重要。

要求：选择具有低且稳定Dk 的板材。

b）损耗因子（Df）

重要性：Df 直接决定信号在介质中的损耗。

要求：选择低Df 的板材。

c）导热性

重要性：良好的导热性有助于将热量从功放管传导出去，防止局部过热导致性能下降、可靠性较低甚至损坏。

要求：选择具有较高热导率的板材。

常用的板材特性对比如下表：

针对当前设计频段和板材成本的考虑，本文对比了 RO4350 与标准 FR-4 板材，选用RO4350B，其介电常数（Dk）低且稳定性高，损耗因子小，导热性好，可满足本文设计要求。板材厚度选择 20mil ，确保了充分的功率和电流处理能力，合适的微带线宽度。

（三）功放晶体管的选择

作为射频功放电路中最关键的部件，晶体管选取需重点考虑以下几方面：

a）频率范围；

b）输出功率；

c）效率；

d）增益；

e）封装与散热。

本文选取了 GaN 晶体管 UG60-25F2，工作频率 DC～6GHz ，饱和输出功率 34W，增益17dB，最佳漏极效率 80.2% ，封装带法兰。

（四）工作状态选择

放大器的工作状态可以分为A 类，AB 类，B 类，C 类，还有工作在开关状态的E 类和F类放大器。

A 类功率放大器的优点是线性度好、失真小、噪声系数较低，它的缺点是效率不高、热损耗较高和尺寸大。B 类放大器由于采用零偏置，导通角只有 180^∘ ，信号只有半个周期被放大。因此具有效率高的特点，它的缺点是放大器的增益较低，需要较高的驱动电平功率；FET的导通和截止会产生高电平的电流谐波分量，放大器的线性度差。AB 类的偏置点在A 类和B类之间，它的效率比 A 类高，而增益比乙类大，具有尺寸紧凑、线性较好、失真小等特点，工作温度较低，因而可靠性也高，用的比较广泛。而B 类，C 类以及E、F 类放大器的主要优点是提高放大器的效率，但失真太大。

为了保证功放线性度并兼顾放大器的效率及成本，功率放大器偏置在AB 类。

（五）直流特性分析

通过ADS 进行直流扫描，评估晶体管的 I-V 特性，确定静态工作状态。下图是UG60-25F2直流扫描的 I-V 数据图表。

晶体管偏置在AB 类，选取 Vgs=-3.0V ，IDS=0.202A 作为静态工作点。

（六）偏置及稳定性分析1.偏置电路设计

偏置电路主要作用是对射频信号进行隔离，为晶体管提供可靠的栅极电压和漏极电压。射频信号隔离电路的设计要求电路具有足够高的自谐振荡频率，并且又应该具有足够大的电感对低频成分进行有效的抑制。在宽频段范围内，集总参数元件和分布参数元件都很难实现。本文采用λ/4 微带线和并联接地电容组成。

2.稳定性分析

稳定性是功率放大器设计的前提，是保证放大器能够正常、安全、可靠工作的必要条件。不稳定的功率放大器可能产生自激振荡、频谱失真甚至烧毁晶体管。尤其在宽带设中，因晶体管、外围电路元件和匹配网络的寄生参数等复杂因素，导致稳定性设计更加困难。

以下几种方式实现对功率放大器稳定性的改善a）在晶体管的不稳定端口串联或者并联电阻，以此来抵消阻抗实部的负阻抗部分；

b）晶体管的输入和输出端加入电阻并联电路，构成负反馈，改善输入和输出端的端口驻波比；

c）晶体管的源级或发射级串联电感到地，改善晶体管的噪声系数和端口驻波比。但是电感的加入会使晶体管的源级或者发射级不能直接接地，增大了设计中的安全隐患，所以这种方法很少应用。

如下图所示，利用 ADS 仿真软件对选用的晶体管进行稳定性扫描。可以看出，StabFact＜1，即晶体管在带内不稳定，通过在输入匹配网络中加入电容和电阻后，晶体管在频段内可以稳定工作。

（七）阻抗匹配网络

1.理论分析

阻抗匹配网络作为宽带功率放大器设计过程中的关键，其主要作用是为了使晶体管的输入、输出达到最佳的匹配状态，从而能够在宽频带范围内实现良好的功率传输，其性能的好坏对电压驻波比、稳定性、增益以及增益平坦度等多个关键指标都有明显的影响。目前，常见的阻抗匹配网络通常采用集总元件，传输线变压器，微带线，特性对比如下：

通过三种阻抗匹配网络特性对比，微带线带宽、匹配精度、插损、热管理、设计自由度等方面都更适合本文的设计需求。

2.微带线匹配

功率放大器阻抗匹配常用四分之一波长和渐变线两种阻抗变换器。

四分之一波长变换器使用单段λ/4 长度特定阻抗的传输线进行匹配，仅匹配实阻抗或特定复阻抗，带宽窄，灵活性低，主要用于窄带匹配。

渐变线阻抗变换器使用单段或多段特性阻抗和长度均可自由选择的传输线进行匹配，可匹配任意复阻抗，带宽宽，灵活性高，主要用于宽带匹配。因此，本文采用渐变线阻抗变换器。

（八）仿真设计

a）通过负载牵引和源牵引确定最佳阻抗本文的功率放大器采用 Ga N HEMT 功率器件 UG60-25，在 Vds =28V ，

Vgs -2.3V，Ids =202mA 的条件下，通过 ADS 负载牵引 loadpull 和源牵引 sourcepull，确定晶体管最大功率输入输出阻抗为： Z_in=5.5+j^∗0@1.12GHz ，Zout=14.3+j*5.34@1.12GHz。b）采用 Klopfenstein 函数渐变线 5 阶阻抗变换器，通过 OPTIM 对 S11 和 S21 进行仿真优化。