寬帶阻抗變換器的PHEMT分布式功率放大器

介紹一個(gè)采用寬帶阻抗變換器的非均勻漏線(xiàn)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(chēng)耦合線(xiàn)，將放大器的低輸出阻抗變換到標準的50Ω傳輸線(xiàn)。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(xiàn)性相位響應、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(guò)20%。漏極電流分成兩個(gè)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(wèn)題和受限的輸出功率進(jìn)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(gè)晶體管的漏極電流必須加入到負載端口。通過(guò)這個(gè)方法，可以緩解漏極虛端口的影響。另一種對于非 均勻DPA的設計方法，對每個(gè)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(gè)沒(méi)有輸出合成的傳輸線(xiàn)，這里在共源和共柵器件間采用阻抗匹配部件來(lái)提供延遲平衡。

本文論述一種可選擇的設計方法，方法基于虛擬阻抗分析，考慮多電流源，采用一個(gè)耦合線(xiàn)的阻抗變換。描述的方法使效率增加至軟件定義的無(wú)線(xiàn)電（SDR）驅動(dòng)PA應用的水平。

設計方法

圖1 簡(jiǎn)化的采用非均勻漏線(xiàn)的四段DPA。

在圖1所示的DPA拓撲中，每個(gè)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(xiàn)的四部分PHEMT DPA需要的頻率范圍內有最佳功率性能。一個(gè)m驅動(dòng)部分在柵線(xiàn)的兩端實(shí)現。每個(gè)器件供電為5 V，每個(gè)柵的偏置電壓為0.44 V，這使有源器件在A(yíng)B類(lèi)工作。通過(guò)采用非均勻柵線(xiàn)設計和選擇輸出負責R等于12.5歐姆來(lái)實(shí)現在柵和漏線(xiàn)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(gè)電路匹配到標準的50歐姆負載，采用具有1:4轉換比的寬帶阻抗變換來(lái)實(shí)現。在這個(gè)設計中采用的阻抗變換器是基于如圖2所示 的非對稱(chēng)、均勻耦合線(xiàn)。耦合線(xiàn)的尺寸為l=42.14 mm、w1=0.53 mm、w2=1.57 mm、w3=1.21 mm、w4=1.5 mm。與傳統的多個(gè)四分之一波長(cháng)傳輸線(xiàn)相比，耦合傳輸線(xiàn)具有更大的自由度、更緊湊的優(yōu)點(diǎn)。傳統上，耦合和通過(guò)端口是短路或開(kāi)路的，從帶寬的角度考慮這不是 一個(gè)最佳選擇。當在耦合和直通端口用階梯阻抗傳輸線(xiàn)加負載，變換器的工作帶寬能有很大的增加。在這種情況下，采用的結構是四分之一波長(cháng)長(cháng)。與傳統的四分之 一波長(cháng)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(guò)全波三維仿真進(jìn)行檢驗。輸入（端口1）端接12.5 Ω線(xiàn)，端口3連接50ΩSMA連接器。在實(shí)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參數數據為了得到精確結果必須進(jìn)行去嵌。在 整個(gè)工作帶寬，測量的插入損耗小于1.5 dB。

選擇一個(gè)中功率的PHEMT器件（Avago公司的ATF511P8）實(shí)現功率放大器。器件的漏端負載效應可以忽略，然而，它的輸出阻抗的電抗部分 （Xopt（w））在定義漏線(xiàn)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。

測量結果

為了從實(shí)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er=3.66厚 度=0.762 mm。為達到穩定的目的，每個(gè)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(xiàn)。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(guò)30%。仿真和測量結果符合很好。這證明在低頻率下PAE大于38%。在整個(gè)工作帶寬效率超過(guò)30%。顯然測試結果證實(shí)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(guò)變換器的優(yōu)化進(jìn)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(shí)現了從100到1800 MHz高功率特性，這適合于SDR應用的高輸出功率水平。

結論

本文給出了采用非均勻漏線(xiàn)的DPA。選擇的結構表明與傳統的設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(guò)減小輸出阻抗值得到進(jìn)一步提 高。放大器的輸出阻抗用基于耦合傳輸線(xiàn)的緊湊、寬帶分布式阻抗變換器轉換為標準的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%。電路結果展示了適合于SDR DPA驅動(dòng)應用的功率特性。

圖2 緊湊的阻抗變換器(a) 電路示意圖，（b）微帶線(xiàn)實(shí)現。

輸入 阻抗段 耦合線(xiàn) 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(diǎn)線(xiàn)）和仿真（實(shí)線(xiàn)）結果。