平衡功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)
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1 平衡放大器工作原理
平衡放大電路采用2個3 dB混合耦合器和2個射頻放大芯片構(gòu)成對稱電路，通過隔離入射信號和反射信號，從而實現(xiàn)頻帶范圍內(nèi)功率增益的平坦和降低輸入、輸出端口的駐波比，電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[3]。
因為平衡放大電路中包含了3 dB耦合器，所以有必要先分析一下3 dB耦合器的傳輸特性。參考圖1來描述3 dB耦合器的傳輸特性：(1)如果射頻信號從1端口輸入其他端口連接匹配負載，則1端口入射的射頻信號的功率被平均分配到2端口和3端口輸出并且輸出信號的相位在2端口相對于3端口超前П/2，在4端口由于信號抵消而沒有功率輸出；(2)如果2端口和3端口輸入相同幅度的射頻信號，并且在相位上2端口的射頻信號超前3端口射頻信號П/2，則射頻功率在4端口輸出并且功率為輸入功率之和，在1端口由于信號抵消沒有功率輸出。
根據(jù)上述3 dB分支耦合器的傳輸特性，1端口入射的射頻信號經(jīng)過3 dB耦合器后，被平均分配到2個放大器芯片T1和T2的輸入端口，其中2端口的射頻信號超前3端口П/2。假設(shè)2個放大電路的特性完全一致，則放大器芯片T1和T2反射的射頻信號幅度相同，反射信號將進入3 dB分支耦合器。由于反射信號在2端口的相位超前3端口П/2，按照3 dB分支耦合器的特性，合成功率在4端口輸出被50 Ω的匹配電阻吸收，而在1端口則沒有輸出。因此，即使2個放大電路在輸入端產(chǎn)生很大的反射，在平衡放大電路的射頻輸入端可以沒有射頻信號的反射，實現(xiàn)很低的輸入駐波系數(shù)。同理，經(jīng)過放大電路后的輸出信號會在放大電路的輸出端口合成，而反射信號則被50 Ω的匹配電阻吸收，可以大幅度降低放大電路的輸出駐波系數(shù)。
2 放大器設(shè)計及優(yōu)化
2.1 設(shè)計指標
頻率范圍：902 MHz～928 MHz；輸入功率：19 dBm；輸出功率：32 dBm；增益：13 dB；增益平坦度≤±0.5 dB；二次諧波分量≤-30 dBc；輸入、輸出駐波比≤1.5。
2.2 器件的選擇
平衡功率放大器的設(shè)計需要2個3 dB正交耦合器和2個放大器芯片，由于電路結(jié)構(gòu)完全對稱，所以上下2個放大器芯片完全相同。3 dB正交耦合器的選擇主要考慮其輸入、輸出駐波比。放大器芯片的選擇主要考慮其1 dB增益壓縮點。本設(shè)計選擇了Anaren公司的3 dB正交耦合器XC0900A-03。該耦合器工作頻段在811 MHz～1 000 MHz，駐波比都在1.5以下。放大器芯片為WJ公司的FP31QF，該放大器芯片的工作頻段為50 MHz～4 000 MHz，在915 MHz時1 dB壓縮點的輸出功率可達34 dBm。上述器件的特性指標都滿足設(shè)計要求，因此這些器件可以很好地應(yīng)用在平衡功率放大器的設(shè)計中。
2.3 直流工作點的確定
在晶體管的技術(shù)參數(shù)中，半導體廠家通常會給出放大器芯片的直流工作電壓和電流。本設(shè)計的放大器芯片F(xiàn)P31QF采用技術(shù)參數(shù)給定的（Vds=9 V，Ids=450 mA）直流工作點來設(shè)計直流偏置電路。
2.4 直流偏置電路的設(shè)計
良好的直流偏置設(shè)計目標是選擇適當?shù)撵o態(tài)工作點，并在晶體管參數(shù)和溫度變化的范圍內(nèi)，保持靜態(tài)工作點的恒定[4]。本功放采取先對直流供電并聯(lián)不同值的濾波電容用以濾除供電電壓中不同頻率的紋波，再通過射頻扼流圈把直流電壓饋入放大器。射頻扼流圈對直流相當于短路，對射頻信號相當于開路防止射頻信號泄露。實際中用電感代替射頻扼流圈能夠起到相同的作用。
2.5 匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計
本文的輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)數(shù)據(jù)手冊給定的器件S參數(shù)，按照小信號放大器的設(shè)計方法來設(shè)計的[5]。由于平衡功率放大器的結(jié)構(gòu)是完全對稱的，所以只需要對一個放大器芯片進行輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。
整個放大器的源阻抗和負載阻抗均按50 Ω設(shè)計[6]。首先，設(shè)計放大器芯片的輸入匹配。根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊給定，工作頻率為1 000 MHz時放大器芯片S11=0.9∠-160.54參數(shù)，采用集總參數(shù)匹配中的T型匹配網(wǎng)絡(luò)利用Smith圓圖把放大器芯片的S11匹配到50 Ω。其次，設(shè)計放大器芯片的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊給定，工作頻率1 000 MHz時第二階放大器S22=0.49∠-162.14參數(shù)。采用集總參數(shù)匹配中的L型匹配網(wǎng)絡(luò)利用Smith圓圖把S22匹配到圓圖的中心。L型匹配網(wǎng)絡(luò)中的串聯(lián)電容直接放在放大器芯片輸出端，既起到隔直作用，又起到匹配作用。整個放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)都是根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊提供的工作頻率在1 000 MHz時的S參數(shù)設(shè)計的，而放大器的實際中心工作頻率為915 MHz。之后會通過仿真優(yōu)化消除匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計所帶來的誤差。
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