平衡功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

因?yàn)槠胶夥糯箅娐分邪? 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(hào)從1端口輸入其他端口連接匹配負(fù)載，則1端口入射的射頻信號(hào)的功率被平均分配到2端口和3端口輸出并且輸出信號(hào)的相位在2端口相對(duì)于3端口超前П/2，在4端口由于信號(hào)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(hào)，并且在相位上2端口的射頻信號(hào)超前3端口射頻信號(hào)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(hào)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(hào)經(jīng)過3 dB耦合器后，被平均分配到2個(gè)放大器芯片T1和T2的輸入端口，其中2端口的射頻信號(hào)超前3端口П/2。假設(shè)2個(gè)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(hào)幅度相同，反射信號(hào)將進(jìn)入3 dB分支耦合器。由于反射信號(hào)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(gè)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(hào)的反射，實(shí)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(hào)會(huì)在放大電路的輸出端口合成，而反射信號(hào)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(jì)及優(yōu)化
2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)
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(jì)需要2個(gè)3 dB正交耦合器和2個(gè)放大器芯片，由于電路結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，所以上下2個(gè)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(diǎn)。本設(shè)計(jì)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(shí)1 dB壓縮點(diǎn)的輸出功率可達(dá)34 dBm。上述器件的特性指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)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(jì)中。
2.3 直流工作點(diǎn)的確定
在晶體管的技術(shù)參數(shù)中，半導(dǎo)體廠家通常會(huì)給出放大器芯片的直流工作電壓和電流。本設(shè)計(jì)的放大器芯片F(xiàn)P31QF采用技術(shù)參數(shù)給定的（V_ds=9 V，I_ds=450 mA）直流工作點(diǎn)來設(shè)計(jì)直流偏置電路。
2.4 直流偏置電路的設(shè)計(jì)
良好的直流偏置設(shè)計(jì)目標(biāo)是選擇適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，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(diǎn)的恒定[4]。本功放采取先對(duì)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(duì)直流相當(dāng)于短路，對(duì)射頻信號(hào)相當(dāng)于開路防止射頻信號(hào)泄露。實(shí)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(jì)
本文的輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)給定的器件S參數(shù)，按照小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)的[5]。由于平衡功率放大器的結(jié)構(gòu)是完全對(duì)稱的，所以只需要對(duì)一個(gè)放大器芯片進(jìn)行輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。
整個(gè)放大器的源阻抗和負(fù)載阻抗均按50 Ω設(shè)計(jì)[6]。首先，設(shè)計(jì)放大器芯片的輸入匹配。根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊(cè)給定，工作頻率為1 000 MHz時(shí)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(jì)放大器芯片的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)給定，工作頻率1 000 MHz時(shí)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(gè)放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)都是根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的工作頻率在1 000 MHz時(shí)的S參數(shù)設(shè)計(jì)的，而放大器的實(shí)際中心工作頻率為915 MHz。之后會(huì)通過仿真優(yōu)化消除匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)所帶來的誤差。