一種全新高功率線性功率放大器的設計

1 引言

寬帶高功率放大器在諸如無線通信、基站等設備中是重要的一部分，寬帶高功率放大器的線性度、功率附加效率和帶寬是衡量功率放大器性能的很重要的參數(shù)，在設計中要充分考慮各項指標的要求，并折中處理以獲得好的設計。在進行功率放大器的設計時，由于缺少晶體管的大功率精確模型，并且廠商一般只提供小信號S參數(shù)，而功率放大器工作在非線性，因此嚴格的試驗設計是必須的（比如可以采用負載牽引技術），這是一項比較困難的任務，要不斷的完善以達到最好的性能。除此之外，在設計中阻抗匹配和功率合成設備的設計也是比較重要部分，好的匹配電路可以提高功率放大器的性能，可以提高效率和輸出功率等，而通常單管的輸出功率不能滿足許多情況的需要，這樣就可以采用功率合成網(wǎng)絡來進一步提高輸出功率。我們通?？紤]電源和負載是實阻抗，在這種情況下LC網(wǎng)絡不能作為匹配電路的可靠設計。

但是實際上，電源和負載阻抗的實際成分也包含電抗部分，這樣就使得匹配目標是雙重的，它要求在抵消其電抗成分同時，也要起到實阻抗變換的功能。當帶寬轉換率比較大的時候，這種阻抗變換可以由變壓器來實現(xiàn)。但是普通的同軸線變壓器的頻率響應受到線圈之間的泄漏自感應和寄生電容的限制而使得應用不是很廣泛，不同的是，傳輸線變壓器通過外部和中心分別使用一個同軸電纜導體來作為初級線圈和次級線圈，來形成一個1：1的變壓器，有了這個1：1傳輸線變壓器網(wǎng)絡，通過不同的連接來實現(xiàn)不同的阻抗率的變換。而且，利用這個1：1變壓器的拓撲連接，寬帶射頻功率合成器能獲得更高的功率水平。本文研究利用傳輸線變壓器來研究20-100MHz的線性功率放大器，實現(xiàn)150W的輸出功率。

2 傳輸線變壓器

2.1 傳統(tǒng)的磁性同軸變壓器

盡管傳統(tǒng)的變壓器在結構上是比較簡單的，并且也能得到任何阻抗變換率，但是這種結構是窄帶的并且功率也是有限的。即使這種傳統(tǒng)的變壓器能正常的工作在高頻段，然而在工作頻段的高頻段其寄生耦合電容和泄漏自電感發(fā)生惡化。由于這種變壓器是以磁芯作為耦合煤質，它的插入損耗必定比使用傳輸線變壓器的插入損耗要大的多，而且磁芯有某種磁場流量飽和特性，這就使得這種變壓器的功率完全由線圈所使用的磁性物質所決定的。

2.2 傳輸線變壓器

LC諧振回路作為負載的射頻諧振功率放大器，相對通頻帶寬只有百分之幾甚至千分之幾，因此只能算是窄帶射頻功率放大器。要實現(xiàn)寬帶射頻功率放大器，首先是不能用具有選頻能力的諧振回路作為負載，只能用寬帶網(wǎng)絡或阻性負載，當然這可能導致輸出信號產(chǎn)生的諧波無法得到有效的改善。一般寬帶放大器只能工作在效率較低的甲類或甲乙類。眾所周知，功率放大器的輸入阻抗及輸出阻抗變化大，寬帶匹配問題就成為設計寬帶射頻功率放大器的關鍵。

傳輸線變壓器是一種較理想的高頻寬帶耦合及匹配元件，由于它采用傳輸線作為繞組，較合理地將分布電容，線圈漏感加以利用或限制，使響應頻帶得到很大的展寬，解決了傳統(tǒng)變壓器難于解決的問題。傳輸線變壓器相比傳統(tǒng)的變壓器可以實現(xiàn)更高的工作頻率、更寬的帶寬、更高的功率和較小的阻抗值。目前，它的使用頻率已經(jīng)超過1GHZ，成為高頻和微波電路低端的一種極為有用的耦合裝置，廣泛地用于阻抗變換，單端－平衡轉換，功率的合成和分配等目的，成為放大器級間耦合，混頻，調制，鑒頻，鑒相，射頻高速開關，功率合成技術等方面的重要工具。

在利用傳輸線變壓器來設計寬帶高功率放大器中，精確的傳輸線變壓器的模型是設計中的關鍵基礎，圖1是傳輸線變壓器的模型，在這個模型中，RCI和RCO代表在磁性材料中的泄漏場而產(chǎn)生的內部導線和外部導線的芯損耗，LMAGI和LMAGO表示在磁性材料中的泄漏場而產(chǎn)長的有限磁化自感應系數(shù)。這些參數(shù)可以用阻抗分析和網(wǎng)絡分析而得到。其他參數(shù)是寄生參量，并且在VHF的高頻端才有意義，這些值可以由曲線率而求得（圖1中LWI與LWI1、RWI與RWI1、LWO與LWO1、CW與CW1分別各自相等）。

圖1 磁性材料的同軸電纜

3 推挽功率放大器

推挽放大器是產(chǎn)生大功率的一種很好的方法，由于電路具有對稱性，這樣放大器工作具有高線性和帶寬大，適合設計寬帶高功率放大器。推挽放大器有很多優(yōu)點：在一支管子損壞的情況下，另一支管子的工作是安全的；推挽結構抵消了三極管非線性成分中的偶次諧波，雜散抑制高；增益比一般功率合成要提高3dB等?？紤]到本文輸出的脈沖功率較高，且綜合考慮成本和現(xiàn)有條件等，本采用推挽放大器來實現(xiàn)高功率線性放大器。

分別使用平衡MOSFET或雙極器件的共源或共射推挽工作，增加了輸入和輸出阻抗。對于相同的輸出電平下，推挽工作模式下的輸入阻抗Z_in和輸出阻抗Z_out近似地比它們并聯(lián)工作模式下的高接近四倍。同時，輸入和輸出品質因數(shù)保持不變，因為Z_in和Z_out的實部和虛部都增加4倍。推挽工作的基本概念可使用圖2所示等效電路進行分析。