寬帶阻抗變換器的PHEMT分布式功率放大器

介紹一個采用寬帶阻抗變換器的非均勻漏線分布式功率放大器（DPA）。DPA基于GaAs PHEMT工藝。阻抗變換器利用非常對稱耦合線，將放大器的低輸出阻抗變換到標(biāo)準(zhǔn)的50Ω傳輸線。在頻率范圍從10到1800 MHz，放大器輸出功率約為600 mW，關(guān)聯(lián)增益為9 dB，功率附加效率（PAE）大于30%。

分布式功率放大器（DPA）在寬帶寬范圍具有平坦增益、線性相位響應(yīng)、以及低回波損耗為人們所共知。然而，通常的DPA的功率附加效率（PAE）一般不超 過20%。漏極電流分成兩個分支，波向輸出負載和虛終端傳播，這是造成退化的主要原因。一些研究小組已經(jīng)針對DPA的低效率問題和受限的輸出功率進行研 究，提出了解決這些局限性的辦法。為增加DPA的效率，每個晶體管的漏極電流必須加入到負載端口。通過這個方法，可以緩解漏極虛端口的影響。另一種對于非 均勻DPA的設(shè)計方法，對每個器件利用優(yōu)化的載荷使功率和效率最大化。K. Krishnamurthy等人描述了一個沒有輸出合成的傳輸線，這里在共源和共柵器件間采用阻抗匹配部件來提供延遲平衡。

本文論述一種可選擇的設(shè)計方法，方法基于虛擬阻抗分析，考慮多電流源，采用一個耦合線的阻抗變換。描述的方法使效率增加至軟件定義的無線電（SDR）驅(qū)動PA應(yīng)用的水平。

設(shè)計方法

圖1 簡化的采用非均勻漏線的四段DPA。

在圖1所示的DPA拓撲中，每個器件對放大器的總輸出阻抗有貢獻。選擇負載阻抗的值R使在具有非均勻漏線的四部分PHEMT DPA需要的頻率范圍內(nèi)有最佳功率性能。一個m驅(qū)動部分在柵線的兩端實現(xiàn)。每個器件供電為5 V，每個柵的偏置電壓為0.44 V，這使有源器件在AB類工作。通過采用非均勻柵線設(shè)計和選擇輸出負責(zé)R等于12.5歐姆來實現(xiàn)在柵和漏線之間必要的相位速度同步。

為了在寬的工作頻率范圍將整個電路匹配到標(biāo)準(zhǔn)的50歐姆負載，采用具有1:4轉(zhuǎn)換比的寬帶阻抗變換來實現(xiàn)。在這個設(shè)計中采用的阻抗變換器是基于如圖2所示 的非對稱、均勻耦合線。耦合線的尺寸為l=42.14 mm、w1=0.53 mm、w2=1.57 mm、w3=1.21 mm、w4=1.5 mm。與傳統(tǒng)的多個四分之一波長傳輸線相比，耦合傳輸線具有更大的自由度、更緊湊的優(yōu)點。傳統(tǒng)上，耦合和通過端口是短路或開路的，從帶寬的角度考慮這不是 一個最佳選擇。當(dāng)在耦合和直通端口用階梯阻抗傳輸線加負載，變換器的工作帶寬能有很大的增加。在這種情況下，采用的結(jié)構(gòu)是四分之一波長長。與傳統(tǒng)的四分之 一波長變換器相比，這提供三倍的工作頻率范圍。

寬帶阻抗變換器的性能通過全波三維仿真進行檢驗。輸入（端口1）端接12.5 Ω線，端口3連接50ΩSMA連接器。在實際測量中，因為端口1將與50ΩSMA連接器相連，連接器的雙端口S參數(shù)數(shù)據(jù)為了得到精確結(jié)果必須進行去嵌。在 整個工作帶寬，測量的插入損耗小于1.5 dB。

選擇一個中功率的PHEMT器件（Avago公司的ATF511P8）實現(xiàn)功率放大器。器件的漏端負載效應(yīng)可以忽略，然而，它的輸出阻抗的電抗部分 （Xopt（w））在定義漏線截止頻率fc中起重要的作用。提取輸出電容值Copt（包括封裝寄生）結(jié)果為4 pF。放大器的截止頻率可用下式估計：

因此，可以選擇漏端電感的值L_di（這里i=1…4），達到大約2GHz的f_c。忽略虛漏極端口，改善總效率。

測量結(jié)果

為了從實驗上驗證具有寬帶阻抗變換的高效率DPA概念，用Rogers三層印刷電路板（PCB）材料制作了原型電路，材料的相對介電常數(shù)er=3.66厚 度=0.762 mm。為達到穩(wěn)定的目的，每個部分的串聯(lián)柵電阻Rg(k)=5Ω。最上層用于集中原件以及RF和DC走線。圖3為制作的DPA板的照片。DPA的有效尺寸 是24×74 mm。

測量的大信號DPA特性如圖4所示。輸出功率~600 mW，增益為9 dB，PAE超過30%。仿真和測量結(jié)果符合很好。這證明在低頻率下PAE大于38%。在整個工作帶寬效率超過30%。顯然測試結(jié)果證實得到高效率的想 法。然而，在更高頻率工作的DPA的性能可以通過變換器的優(yōu)化進一步提高。

變換器概念是為與DPA的集成選擇性的解決辦法。另一方面，采用GaN HEMT，實現(xiàn)了從100到1800 MHz高功率特性，這適合于SDR應(yīng)用的高輸出功率水平。

結(jié)論

本文給出了采用非均勻漏線的DPA。選擇的結(jié)構(gòu)表明與傳統(tǒng)的設(shè)計相比在效率方面特性得到了提高。放大器的效率和輸出功率通過減小輸出阻抗值得到進一步提 高。放大器的輸出阻抗用基于耦合傳輸線的緊湊、寬帶分布式阻抗變換器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的50歐姆端口。提出的方法可以在寬的頻率范圍增加DPA的效率到一般大于 30%。電路結(jié)果展示了適合于SDR DPA驅(qū)動應(yīng)用的功率特性。

圖2 緊湊的阻抗變換器(a) 電路示意圖，（b）微帶線實現(xiàn)。

輸入 阻抗段 耦合線 輸出 空氣橋

圖3 高效率DPA原型板照片。

圖4 隨頻率變換的DPA的測量（點線）和仿真（實線）結(jié)果。