一種可用于無(wú)線通信領(lǐng)域并在頻點(diǎn)1.03 GHz工作的平衡放大器

摘要：

研究了一種可用于無(wú)線通信領(lǐng)域并在頻點(diǎn)1.03 GHz工作的平衡放大器。本文采用微波軟件ADS和HFSS聯(lián)合對(duì)平衡放大器的放大模塊和濾波電路模塊進(jìn)行仿真和優(yōu)化。該放大器的中心頻率為1.03 GHz，帶寬為200 MHz，中心頻點(diǎn)處噪聲系數(shù)為3.2，增益大于10 dB，輸入和輸出反射系數(shù)均小于 12 dB，增益平坦度小于 0.5 dB/50 MHz，穩(wěn)定系數(shù)大于 1。平衡放大器具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低，易于組裝，高靈活性和絕對(duì)穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，可以很好地應(yīng)用于射頻工程應(yīng)用和微波放大要求。

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，功率放大器作為射頻接收端的重要組成部分，也受到越來(lái)越多的關(guān)注，并已廣泛應(yīng)用于微波通信和雷達(dá)等領(lǐng)域。但是現(xiàn)在人們對(duì)功率放大器的性能要求越來(lái)越高，不僅局限于增益和輸入輸出阻抗性能，而且還對(duì)放大器的帶寬，穩(wěn)定性，可靠性和體積提出了更多的要求。在航空航天領(lǐng)域，他們對(duì)放大電路的穩(wěn)定性和體積有很高的要求。因此，對(duì)小型微波功率放大器的研究具有重要意義。

在各類功率放大器中，平衡式放大器的穩(wěn)定性和穩(wěn)定性尤為突出。相比于單端功率放大器，平衡式放大器具有更好的穩(wěn)定性和輸入輸出阻抗匹配性能，且輸出功率是單路放大器的兩倍，可根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目要求利用放大器級(jí)聯(lián)來(lái)達(dá)到高增益性能。一般的平衡式放大器所需器件多，導(dǎo)致整體電路所占的體積增加。本根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)的一款小型化 L波段的平衡式放大器。射頻輸入端和輸出端均采用低損耗的3 dB定向耦合器，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)雙支端放大器的射頻信號(hào)的分配和合成。為了減小 PCB板面積，本設(shè)計(jì)中選用 NBB500放大器，該放大器體積小，內(nèi)部匹配 50 Ω，因此放大器無(wú)需輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。為了得到信號(hào)更純凈，在射頻信號(hào)輸出端口設(shè)置了一低通濾波器 。并在此基礎(chǔ)上對(duì) PCB板進(jìn)行加工和測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果相似，基本滿足設(shè)計(jì)的需求。

1 器件的選擇和級(jí)數(shù)的確定

本設(shè)計(jì)中的功率放大器電路是由兩級(jí) 90°相移耦合器、兩級(jí)微波放大電路和濾波電路 3 部分組成。根據(jù)平衡式功率放大器的傳輸原理，功率放大器電路會(huì)在信號(hào)輸入端口產(chǎn)生很多的反射，但兩級(jí)90°相移耦合器射頻信號(hào)在信號(hào)輸入端沒(méi)有反射，可以有效降低了輸入端口和輸出端口的阻抗匹配。通過(guò)微波放大電路輸出信號(hào)利用3 dB耦合器實(shí)現(xiàn)功率合成，而反射信號(hào)會(huì)被 50 Ω匹配電阻吸收。平衡式放大模塊設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 平衡式放大器設(shè)計(jì)原理

本項(xiàng)目是基于 Agilent-ADS 射頻軟件完成 L 波段功率放大器電路的設(shè)計(jì)與仿真工作。Agilent ADS作為一款綜合型射頻設(shè)計(jì)軟件，基本上能滿足各種現(xiàn)代射頻微波電路設(shè)計(jì)的需求。

基于本課題對(duì)放大器鏈路的噪聲系數(shù)要求低，可選用 Qorvo公司的 NBB-500-T作為放大電路的核心部分，它是一種低成本，體積小，高性能的放大器，表面貼裝陶瓷封裝，易于組合，可適用于通用射頻和微波放大模塊。同時(shí) NBB-500 采用外部偏置電阻設(shè)計(jì)，具有靈活性和絕對(duì)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)。該放大器在低頻的增益為19 dB，P1 dB的數(shù)值為12.3 dBm，噪聲系數(shù)為 3.2 dB。而本文所需要的設(shè)計(jì)指標(biāo)：在頻點(diǎn)1.03 GHz時(shí)的增益大于10 dB，噪聲系數(shù)小于5.0 dB，輸入和輸出駐波比均小于2.0，增益平坦度小于1 dB/50 MHz。在本項(xiàng)目中對(duì)放大模塊增益要求是小于10 dB，因此就無(wú)需級(jí)聯(lián)放大模塊獲得高增益。

NBB500工作于未飽和狀態(tài)，即輸出功率沒(méi)有達(dá)到其 P1dB。且 NBB500是一個(gè) 100 mW 內(nèi)匹配的功放模塊，只要加上簡(jiǎn)單的偏置電路即可。其偏置電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用外部串聯(lián)電阻和扼流電感到 VCC實(shí)現(xiàn)偏置，如圖2所示。

圖2 放大模塊偏置電路

選擇電阻器將此引腳的電平設(shè)置為所需的電平，C 2 和 C 1 可用于電源濾波，同時(shí) R 1 也被作分壓，以此提供合適的直流偏置電壓。該放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)為3.9 V和35 mA。由于此引腳上有直流，因此在大多數(shù)應(yīng)用中應(yīng)使用適合工作頻率的隔直電容。當(dāng)供電源為 5 V時(shí)，則串聯(lián)電阻的阻值為 31 Ω;在本設(shè)計(jì)中因沒(méi)有31 Ω電阻，所以采用兩個(gè)阻值為 68 Ω的電阻并聯(lián)。本文中的功放器為單電源供電，圖 2 為放大器外部偏置的電路圖。

2 平衡式放大器的設(shè)計(jì)原理

對(duì)于放大器匹配電路的設(shè)計(jì)是對(duì)某一個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。一般來(lái)說(shuō)，選取中心頻率來(lái)設(shè)計(jì)放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)，往往作為匹配點(diǎn)。本文選取的匹配頻點(diǎn)是中心頻點(diǎn)1.03 GHz。本文中微帶電路的傳輸線的長(zhǎng)度 L和寬度 W均是由介質(zhì)基板材料參數(shù)和中心頻率決定的，利用 ADS的 Line Cale工具可將理想傳輸線參數(shù)轉(zhuǎn)換成微帶線參數(shù)。輸入阻抗為 50歐姆，選用介質(zhì)基板為羅杰斯 4003，材料的相對(duì)介電常數(shù)Er為 3.55，介質(zhì)損耗為 0.002 1，其厚度為 0.508 mm，表面金屬覆銅層為0.017 mm。

相比單端放大電路來(lái)說(shuō)，并聯(lián)放大電路可將輸出功率增加一倍，性能更穩(wěn)定。但為了改善端口駐波和方便調(diào)試，采用3 dB平衡式放大結(jié)構(gòu)。

本研究中的兩級(jí)并聯(lián)的放大器均工作在小信號(hào)狀態(tài)，所以本文中的輸入/輸出匹配電路均采用 3 dB微帶電橋 ，電橋具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 3 dB定向耦合器電路

本項(xiàng)目的增益設(shè)計(jì)指標(biāo)為10 dB，選用的單級(jí)晶體管的增益為 19 dB，為了改善駐波和調(diào)試的方便，采用 3 dB電橋平衡結(jié)構(gòu)。3 dB電橋作為多口網(wǎng)絡(luò)，在射頻、微波電路與系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，具有插損小，抑制高，帶內(nèi)波動(dòng)小，隔離度大等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還對(duì)射頻輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行隔離，降低輸入端口和輸出端口的電壓駐波比。1為射頻信號(hào)輸入端，2和3端口分別為信號(hào)的輸出端，能將一個(gè)輸入信號(hào)分為兩個(gè)互為等幅且具有 90°相位差的信號(hào)。本設(shè)計(jì)輸入端電橋采用兩出一進(jìn)的模式，多出的 4 端口連接上 50 Ω的負(fù)載，輸出端電橋采用兩進(jìn)一出模式便于功率合成。

輸入和輸出端口的阻抗為50 Ω。同時(shí)在匹配電路和放大器的中間需加入隔直電容 100 pF，主要作用是當(dāng)放大鏈路中放大器級(jí)聯(lián)或并聯(lián)時(shí)，各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)獨(dú)立且不互相干擾，匹配電路中在遠(yuǎn)離放大器的地方一般加隔直電容，作為阻抗匹配的一部分，因此在放大器的輸入/輸出匹配電路都需要加入隔直電容。圖 4顯示了單支放大器和平衡式放大器仿真效果圖。輸入輸出反射特性，在工作頻段內(nèi)的輸出反射系數(shù)低于-15dB，輸入輸出反射性能良好。

圖 4 單支放大器和平衡式放大器的仿真效果圖

3 濾波模塊設(shè)計(jì)原理

經(jīng)過(guò)放大電路以后，頻譜能量已大部分集中在輸出頻率附近，但為了得到更純凈的單一頻率輸出，需要采取措施濾去不需要的旁頻。在微帶電路中，輸出低通濾波器常采用高低特性阻抗段的低通濾波器。濾波器為切比雪夫特性，因此該濾波器的中心頻率為 1.03 GHz，帶內(nèi)衰減波紋為 1 dB，帶內(nèi)衰減波紋值為 1dB，帶外 1.65 GHz 衰減應(yīng)大于20 dB，采用微波仿真軟件 ADS和 HFSS聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)，最后得到的低通濾波器的尺寸，如圖 5所示。計(jì)算公式如下：

由 于 對(duì) 應(yīng) 于 L r =1 dB，有 L R =6 dB，故 阻 帶 衰減 +L R =(30+6)dB=36 dB，由此查得最少節(jié)數(shù)為 5。根據(jù)帶外衰減陡度的要求選定濾波器的最少階數(shù)為 n=5。低通原型濾波器歸一化元件參量值：g 1 =2.144 9;g 2 =1.091 1;g 3 =3.000 9;g 4 =1.091 1;g 5 =2.134 9;g 6 =1.000 0。

圖5 低通濾波器原理圖

4 仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果分析

由最后的仿真結(jié)果，可以得到在所需頻帶內(nèi)增益大于 18 dB，噪聲系數(shù)小于 4.0 dB，輸入和輸出駐波比均小于 2.0，增益平坦度小于 1 dB，基本滿足設(shè)計(jì)要求。因本放大器內(nèi)部匹配 50 Ω，因此無(wú)需設(shè)計(jì)匹配電路，但為了更好改善輸入駐波特性，可在放大器的輸出端加入 3 dB衰減電路，犧牲功率來(lái)補(bǔ)充輸入駐波，工作頻段內(nèi)的增益約為 18 dB，輸入和輸出駐波均小于1.8，可滿足實(shí)際要求。

5 實(shí)物制作與測(cè)量

由于制版方的需求，使用微波軟件 ADS 繪制PCB板，并進(jìn)行實(shí)物加工并焊接完成后如圖6所示。

圖 6 平衡式放大器的實(shí)測(cè)結(jié)果

將焊接好的平衡式放大器上電，使用+5.0 V直流電源供電，并記錄電源狀態(tài)，電源顯示電壓 5.0 V，電流70.0 mA。平衡式放大器的每個(gè)管子靜態(tài)工作電壓3.826 V，電流35 mA，放大電路正常工作。實(shí)測(cè)S參數(shù)結(jié)果如上圖所示，在所需的工作頻段內(nèi)的輸入和輸出阻抗匹配良好，增益達(dá)到15 dB，大于10 dB，利用噪聲增益測(cè)試儀測(cè)量出噪聲系數(shù)為3.5，而NBB500的噪聲系數(shù)為3.2，相差0.3;增益為14.60 dBm，與仿真值相比，實(shí)測(cè)噪聲系數(shù)略大，增益也相對(duì)變小了，這是因?yàn)閷?shí)際工程中焊接加工的誤差和測(cè)試?yán)|線的損耗，進(jìn)而影響到整個(gè)放大電路的整體性能，但現(xiàn)在實(shí)測(cè)的結(jié)果基本滿足課題所設(shè)定的指標(biāo)需求。由噪聲系數(shù)的測(cè)量結(jié)果中可以得到，整個(gè)頻段內(nèi)的噪聲系數(shù)平均約為3.5 dB。

6 結(jié) 論

本課題對(duì)工作于 L波段平衡式放大器展開了分析和研究，該類型放大器性能穩(wěn)定，可靠性高。采用微波仿真軟件 ADS和 HFSS聯(lián)合對(duì)平衡式放大電路進(jìn)行仿真，在放大模塊的輸入和輸出電路均采用3 dB定向耦合器實(shí)現(xiàn)功率的分配和合成，可有效地提高輸入和輸出端口的阻抗匹配情況。在中心頻率1.03 GHz處，由S參數(shù)仿真結(jié)果可得到增益為19.12 dB。矢網(wǎng)分析儀實(shí)測(cè)出在中心頻率1.03 GHz的增益為14.97 dB，可能是因 0.5 dB 的線損和 SMA 接頭引入的損耗0.5 dB 以及電容焊接誤差。輸出 P1 dB 壓縮點(diǎn)功率為 12.45 dBm，S11和 S22均小于-12 dB，與仿真結(jié)果基本吻合，增益平坦度小于0.2 dB/50 MHz，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。(參考文獻(xiàn)略)

作者：臧 宏 ，張青春 ，朱良凡 ，趙桂芳 ，朱維瑋

原文標(biāo)題：L波段平衡式放大器的研究和分析

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審核編輯：湯梓紅