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1 引言 功率放大器在當前無線通信中占居極重要的地位，隨著現代復雜調制技術的發展，系統要求功率放大器高線性、高效率。本文介紹了Freescale公司功率放大管MRF284在某功率放大器設計過程中的設計思路，給出了仿真結果和部分實際電路。 功率放大器的主要技術指標是輸出功率與效率,在保證發信鏈路的增益和輸出功率的前提下，同時要求有較高的線性性能和較高的效率。盡可能地提高輸出功率與效率是主要設計中主要考慮的問題。 2 選擇功率放大管MRF284 末級功率放大級是整個功率放大器的重要組成部分，選擇末級功率放大管尤為重要。末級功率放大電路可采用甲、乙類場效應管線性放大電路，甲類場效應管線性高，乙類場效應管效率高。我們選用了甲乙類LDMOS場效應管MRF284做為末級的功率管，綜合考慮了在功率輸出和線性的前提下，保證效率。 3 功率放大管RMF284的仿真設計 運用Agilent公司ADS軟件對MRF284功率放大管的進行了設計和仿真分析，給出了MRF284在某功率放大器中做為末級的直流工作點、輸出功率、效率和幅頻特性仿真結果。 3.1 直流工作點分析 由于末級放大產生的工作電流正常情況下占據功率放大器總電流的百分之八十以上，電流的大小直接影響效率，因此，放大管直流靜態工作點的設置是不容忽視的。MRF284直流分析如圖1所示，根據功率放大器各項指標綜合考慮，選擇VDS=26 V，VGS=4.1 V，靜態電流I=250 mA。 3.2 負載牽引非線性仿真與分析 1)確定最優負載阻抗 首先，采用ROOT_MODEL功率管非線性模型，使用負載牽引法確定最優負 載阻抗。負載牽引仿真原理如下： 仿真結果將負載阻抗確定在功率附加效率等高線上，得到最大功率時的負載阻抗，由于功率放大器的工作頻帶較寬，匹配電路不能僅針對某個頻點最佳負載阻抗進行優化，而要全頻帶優化。這就要求確定最佳負載阻抗時多仿真一些頻點。 圖1 RMF284靜態工作點分析 圖2 負載牽引原理圖 2)最佳輸出能力 預先設置好實際使用的工作頻率、功率和效率，非線性仿真得到最佳輸出能力如圖3、圖4、圖5所示。 圖3 輸出功率和諧波分量功率圖 圖4 工作頻帶內的效率 圖5 放大器互調分量 仿真結果表明，在實際使用的1.4 GHz到1.8 GHz頻段內，MRF284的輸出功率可達到45 dBm，效率大于40%，三階互調分量輸出在間隔為5 MHz的等幅雙頻單音信號，單音信號功率為35 dBm時，三階互調可達40 dBc，能夠滿足使用要求。 3.3 功率放大器的電路設計與布局 在一個寬裕的空間中，放大器的電路設計與布局對線性和效率影響不會太大，但是在狹小的有限空間中，電路設計與布局有時甚至起到決定性的影響。本案設計中，由于頻率較高，即使使用高頻的高品質因素集中參數電容器也會帶來嚴重的耗散損失，在這種情況下，必須使用較大面積的分布參數匹配，而空間大小在這種情況下就顯得尤為重要。因此，在小空間的電路設計中，采用高介電常數的介質材料可以減小分布參數匹配塊的體積。其次通過優化內部空間的布局和隔離、壓縮電源板尺寸來增大放大電路的空間。最后通過仿真，在同等性能的條件下選擇拓撲尺寸小的匹配形式。 3.4 帶偏置線的線性仿真 實際功率放大器中，源和負載端的電源偏置電路對整個放大電路是有影響的，電源偏置電路濾波不好，主信號就會通過偏置線路泄漏和反射，考慮了源和負載的影響后，放大器的匹配網絡原理如圖6所示。 對于任何功率放大器設計，匹配電路的性能都是關鍵。匹配網絡是用來實現阻抗變化的，對于功率放大器，匹配電路的性能影響傳送到輸出端的功率大小，以及它的增益、功耗和噪聲。因此，功率放大器匹配網絡的設計是性能達到最優的關鍵。在設計過程中，有一個問題常常為人們所忽視，那就是輸出匹配電路的功率損耗。這些功率損耗出現在匹配網絡的電容器、電感器，以及其他耗能元件中。功率損耗會降低功率放大器的工作效率及功率輸出能力。因為輸出匹配電路并不是一個50Ω的元件，所以耗散損失與傳輸增益有很大的區別。 通過運用先進的ADS仿真平臺，我們可以在電路實現之前評估方案的好壞，并且在各個關鍵指標之間設法取一個折中。以這種方式，我們不但能夠實現最優的方案，而且可以通過仿真來分析功率損耗等棘手的難題。圖7是對匹配電路的仿真結果。 圖6 放大器的匹配網絡原理圖 圖7 功率放大器的輸出仿真結果 圖8 實物照片 4 實測結果 仿真電路進行微帶轉換后制作在介電常數ε=9.6，厚度h=0.8mm的復合介質片上。簡單調試后進行測試，功率放大器在實際使用的1.4 GHz到1.8GHz頻段內，輸出功率為43dBm，三階互調分量輸出在間隔為5 MHz的等幅雙頻單音信號，單音信號功率為35dBm時，三階互調為38dBc，與仿真結果基本吻合，多臺功放微帶電路的一致性也很好，各項指標均能滿足使用要求。 |
