平衡功率放大器的設計與實(shí)現
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1 平衡放大器工作原理
平衡放大電路采用2個(gè)3 dB混合耦合器和2個(gè)射頻放大芯片構成對稱(chēng)電路，通過(guò)隔離入射信號和反射信號，從而實(shí)現頻帶范圍內功率增益的平坦和降低輸入、輸出端口的駐波比，電路結構框圖如圖1所示[3]。
因為平衡放大電路中包含了3 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(lái)描述3 dB耦合器的傳輸特性：(1)如果射頻信號從1端口輸入其他端口連接匹配負載，則1端口入射的射頻信號的功率被平均分配到2端口和3端口輸出并且輸出信號的相位在2端口相對于3端口超前П/2，在4端口由于信號抵消而沒(méi)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，并且在相位上2端口的射頻信號超前3端口射頻信號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端口由于信號抵消沒(méi)有功率輸出。
根據上述3 dB分支耦合器的傳輸特性，1端口入射的射頻信號經(jīng)過(guò)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端口的射頻信號超前3端口П/2。假設2個(gè)放大電路的特性完全一致，則放大器芯片T1和T2反射的射頻信號幅度相同，反射信號將進(jìn)入3 dB分支耦合器。由于反射信號在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(méi)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(méi)有射頻信號的反射，實(shí)現很低的輸入駐波系數。同理，經(jīng)過(guò)放大電路后的輸出信號會(huì )在放大電路的輸出端口合成，而反射信號則被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。
2 放大器設計及優(yōu)化
2.1 設計指標
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計需要2個(gè)3 dB正交耦合器和2個(gè)放大器芯片，由于電路結構完全對稱(chēng)，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)。本設計選擇了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34 dBm。上述器件的特性指標都滿(mǎn)足設計要求，因此這些器件可以很好地應用在平衡功率放大器的設計中。
2.3 直流工作點(diǎn)的確定
在晶體管的技術(shù)參數中，半導體廠(chǎng)家通常會(huì )給出放大器芯片的直流工作電壓和電流。本設計的放大器芯片FP31QF采用技術(shù)參數給定的（Vds=9 V，Ids=450 mA）直流工作點(diǎn)來(lái)設計直流偏置電路。
2.4 直流偏置電路的設計
良好的直流偏置設計目標是選擇適當的靜態(tài)工作點(diǎn)，并在晶體管參數和溫度變化的范圍內，保持靜態(tài)工作點(diǎn)的恒定[4]。本功放采取先對直流供電并聯(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(guò)射頻扼流圈把直流電壓饋入放大器。射頻扼流圈對直流相當于短路，對射頻信號相當于開(kāi)路防止射頻信號泄露。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 )的設計
本文的輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò )是根據數據手冊給定的器件S參數，按照小信號放大器的設計方法來(lái)設計的[5]。由于平衡功率放大器的結構是完全對稱(chēng)的，所以只需要對一個(gè)放大器芯片進(jìn)行輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò )的設計。
整個(gè)放大器的源阻抗和負載阻抗均按50 Ω設計[6]。首先，設計放大器芯片的輸入匹配。根據器件數據手冊給定，工作頻率為1 000 MHz時(shí)放大器芯片S11=0.9∠-160.54參數，采用集總參數匹配中的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，設計放大器芯片的輸出匹配網(wǎng)絡(luò )。根據數據手冊給定，工作頻率1 000 MHz時(shí)第二階放大器S22=0.49∠-162.14參數。采用集總參數匹配中的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 )都是根據器件數據手冊提供的工作頻率在1 000 MHz時(shí)的S參數設計的，而放大器的實(shí)際中心工作頻率為915 MHz。之后會(huì )通過(guò)仿真優(yōu)化消除匹配網(wǎng)絡(luò )設計所帶來(lái)的誤差。
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