低電壓高效率微波功率放大器研究與設(shè)計(jì)

　　介紹了一種應(yīng)用于低電壓的微波雙極性晶體管放大器的電路設(shè)計(jì)方法。通過分析微波晶體管的模型，比較了小信號法、負(fù)載牽引法和文中使用匹配方法對輸出功率、效率和線性度的影響。文中設(shè)計(jì)了一款可以用于GSM通信終端發(fā)射的功率放大器，并對采用3種不同匹配方式進(jìn)行對比，仿真結(jié)果表明，文中所用方法輸出功率和效率較高、線性度較好。

　　功率放大器設(shè)計(jì)的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的性能。按照其工作狀態(tài)一般可以分為A、B、C類，以及類似于開關(guān)工作狀態(tài)的D、E、F類等。或根據(jù)放大器輸出功率的大小，將放大器設(shè)計(jì)分為小信號設(shè)計(jì)和大信號設(shè)計(jì)。利用諧波平衡負(fù)載牽引法進(jìn)行非線性電路設(shè)計(jì)，是目前較為有效的一種方法。該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用到大信號器件特性的提取以及非線性電路設(shè)計(jì)中。

　　但是，對于工作在低電壓的微波放大器設(shè)計(jì)，如何更好地通過匹配電路提高效率和線性度卻少有報(bào)道。小信號法在小信號時(shí)效果較好，不適用于大信號分析。負(fù)載牽引法輸出功率和效率都較好，但線性度較差。文中結(jié)合小信號法和負(fù)載牽引法的各自特點(diǎn)，提出輸入匹配電路采用小信號匹配法，輸出匹配電路采用負(fù)載牽引法，得到較好的性能。

　　1 工作原理

　　小信號法又稱增益匹配法，放大器工作在線性狀態(tài)下，給定放大器的增益，在Smith圓圖中，做出輸入輸出的增益圓，得出增益點(diǎn)的源和負(fù)載反射系數(shù)，然后根據(jù)源和負(fù)載反射系數(shù)做出輸入輸出匹配電路。

　　隨著輸入功率的增加，放大器進(jìn)入非線性區(qū)域，產(chǎn)生一系列失真，按照小信號法的分析結(jié)果不再適用于大信號狀態(tài)。

　　諧波平衡負(fù)載牽引法是通過不斷改變晶體管負(fù)載阻抗，測試功放的輸出功率和效率。在最大輸出功率和最大效率之間取一個阻抗值作為輸出阻抗。同理，改變源阻抗，在最大輸出功率和最大效率之間取一個值作為輸入阻抗。

　　由于諧波平衡負(fù)載牽引法是按照輸出功率和效率設(shè)計(jì)匹配電路，所以其小信號時(shí)的增益一般不如小信號法高，而且線性度較差。根據(jù)小信號法增益高、諧波平衡負(fù)載牽引法輸出功率和效率高的特點(diǎn)，文中輸入端采用小信號法匹配，輸出端采用諧波平衡負(fù)載牽引法匹配設(shè)計(jì)了一款可以用于GSM通信終端發(fā)射的功率放大器，并對采用3種不同情況的輸出功率、效率、線性度進(jìn)行了比較。

　　2 放大器設(shè)計(jì)

　　文中選用NEC公司的NE662M04 NPN晶體管，靜態(tài)工作點(diǎn)為：工作電壓2V，基極電為300μA時(shí)，工作電流20mA。

　　2.1 小信號法

　　用安捷倫公司ADS設(shè)計(jì)軟件，采用小信號分析方法，得出最大增益為17.384dB。輸入輸出增益圓如圖1，圖2所示。輸入阻抗5.858+ j2.288 Ω，輸出阻抗43.404+j52.364Ω。輸入功率為0 dBm時(shí)，輸出功率為12.76 dBm，效率為23.57%，如圖5和圖6所示。