L波段宽带功率扩大器构建及其实现分析
第 1 章 绪论
1.1 宽带功率放大器研究背景与意义
随着现代通信技术的发展，我们的生活及沟通方式以超乎寻常的速度被无线通讯技术所改变着。如 GSM、WCDMA、TDS-WCDMA、TD-LTE 等等，无线通信系统的发展，大大提升了射频功率放大器的研究速度[1-3]。任何通信系统的信号发送都要通过发射机，而功率放大器作为通信系统中发射机的核心器件，其指标的好坏直接影响着通信系统的性能[4]。因此，对于提高通信质量，功率放大器的研究具有非比寻常的意义。
为了提高通信信号的传输距离，需要提高功率放大器的输出功率；为了减小失真提高系统的通信质量，需要提高功率放大器的线性度；为了提高移动设备的电池续航能力，应该提高功率放大器的效率；为了满足实时通信、提高通信速率，又应该提高功率放大器的传输带宽。随着现代通信技术的快速发展，功率放大器的最大输出功率、线性度及效率和带宽的要求一直在不断提高。宽带功率放大器更是引起了人们的重视。首先，宽带特性的改善满足了多路传输与提高通信速率的要求。另外宽带功率放大器更是宽带系统，如测量技术、软件无线电、雷达发射机、电磁兼容等[5]的重要组件。尤其软件无线电的应用，对功率放大器的带宽提出了更高的要求[6]。针对未来电台的多模式、多频段以及多功能软件的新需求，人们越来越多的投入到了宽带功率放大器的研究中。宽带功率放大器的研究不仅突破了多频段信号传输的技术瓶颈，而且为宽带战术电台的研究与实现奠定了技术基础。
以解决军用与民用不同电台间的互联为目的，在既不影响设备的抗干扰能力和保密性的前提下，为了延长通信设备的使用寿命，提出了软件无线电 (softwareradio)技术[7]。软件无线电依托于标准的模块化硬件平台，通过软件控制以及数字信号处理器(DSP)达到对如：工作频段、数据格式和通信协议的实现，完成无线电台的各种功能，并且宽带的数模(D/A)与模数(A/D)转换器的位置尽量靠近天线。利用具有的强大处理能力的 DSP 实现通信信道的分离并且进行调制解调还有信道的编码以及译码工作，从而为移动通信系统从第二代到第三代过渡提供了一个良好的解决方案。
软件无线电的组成部分主要包括射频部分的天线和前端、宽带模数和数模转换器、数字信号处理器以及不同功能的软件。射频前端主要起到发射机的上变频、功率放大和滤波的作用。由于电磁兼容的设计在线性、宽带和高效率功率放大器中较为困难，使得射频变换部分的处理较难较大。若是直接采用射频信号到数字信号变换的方式，可以使射频前端的功能得到简化，但是这样必然会对数字信号处理带来难度，以现在 DSP 处理能力而言，数字化处理以中频和基频部分实现起来更为现实。而对于射频部分的采样和数字化处理仍然是较为困难的[8]。因此，宽带射频前端技术可以说是软件无线电的关键技术。宽带功率放大器是最为重要的组成部分，对于宽带功率放大器的研究具有重要的现实意义。
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1.2 国内外研究进展
为了满足美国海军对多倍频程、高功率、高效率的宽带功率放大器作为射频系统功率源的需要。美国海军研究局于 1996 年，开展了一项名为美国多学科研究计划(MURI)的项目，着手开展宽带功率放大器的研究[9]。后来康奈尔大学接管了此项目，康奈尔大学在对功率放大的研究，更侧重于晶体管器件方向，包括结构的设计，芯片材料的选取，制作工艺的优化，电路的集成，还有功率合成的方面提出了更多的设计及概念，这恰恰代表了功率放大器的设计思路与方向。
1999 年 Xu, ane 等人通过对原有行波放大结构的改进，研究并设计了第一代宽带功率放大器[10]，该放大器采用四个 AlGaN/GaN HEMET 作为管芯进行设计，工作频带为 1-8GHz，另外小信号增益为 7dB，在漏源电压(Vds)为 18V 供电时，输出功率最大可以达到 3.6W，在供电电压 Vds为 22V 时，输出功率最大可以达到 4.5W。由于此功率放大器采用四个 HEMET 管最为驱动，驱动较难达到均匀，造成了功率附加效率(PAE)比较差的情况，一般不会高于 15％，这正是第一代宽带功率放大器的主要缺点。
2000 年 eller 等人通过在功率放大器中加入 LCR 电路进行匹配结构设计，并且在输出端运用 Wilinson 合成器进行四路功率合成的方式，研究并设计了第二代宽带功率放大器[11]。该放大器采用四个 AlGaN/GaN 管芯倒扣焊接的方式进行设计。工作频带为 3-10GHz，小信号增益 7dB，最大输出功率 8.5W，PAE 可以达到 20%，较第一代有所改善。同年 eller 等人通过前两代宽带功率放大器的折中设计，得到了第三代宽带功率放大器[12]。工作频带为 1-6GHz，最大输出功率 7.5W，PAE 可以达到 25%。
2007 年美国空军实验室研究并应用了一款工作频带为 2-15GHz 的宽带功率放大器[13]，小信号增益 10dB，最大输出功率 5.5W，PAE 可以达到 25%。
2021 年 TriQuint 公司研究了一款工作频带为 2-18GHz 宽带功率放大器，最大输出功率可以达到 11W。同年 Paul Saad 等人研制了工作频率为 1.9-4.3GHz，最大输出功率为 10W 的宽带功率放大器[14]，增益为 9-11dB，效率可以达到57-72%。另外 . rishnamurthy 等研制了一款 100-1000MHz 输出功率 100W 的GaN HEMT 的功率放大器[15]，增益为 15-18dB，最大效率可以达到 60%。
2021 年美国 RFMD 公司利用两个 45W 的 GaN HEMT 研制成功了一款工作频率为 20-1000MHz，输出功率可以达到 90W 的宽带功率放大器[16]。
国内方面，电子工业部第五十五研究所于 2001 年，成功研制了一款工作频带为 2G-6GHz 功率放大器[17]，该放大器采用两级结构，采用有耗匹配的设计方法进行设计，这就导致了最终的输出功率不会太高。在工作频带内小信号增益为19dB，输出功率最大值为 1.4W，PAE 可以达到 20%。
2008 年由中国科学院微电子研究所研制出了一款工作频率为 1.35-1.85GHz，最大输出功率为 20W 的平衡式宽带功率放大器[18]，增益为 43dB，平坦度可以达到±0.56dB。
2021 年中国电子第 13 研究所研制出了一款工作频带为 30-512MHz 输出功率为 100W 的宽带功率放大器[19]。同年，中国电子科技集团公司第三十八研究所设计了一款工作带宽为 2GHz 最大输出功率为 25W 的宽带功率放大器[20]。
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第 2 章 功率放大器基础理论介绍
2.1 散射参数
对于射频电路的分析已经不能再以低频电路的分析那样采用开路、短路的方法进行测试分析。因为在高频电路的应用中寄生效应过于严重，比如，导线在构成短路的同时本身还是一个电感，随着频率的增高感性在逐渐增大，开路线与基板之间有存在着电容，随着频率的增高容性在逐渐增大。对于射频电路的分析一般采用 S 参数[21]。
S 参数通过电压波对输入输出网络进行定义，即通过入射电压波对输入网络进行定义，反射电压波对输出网络进行定义。二端口网络 S 参数的表示如下图2-1 所示，其中 a1，a2为端口 1 和端口 2 的入射波，b1，b2为端口 1 和端口 2 的反射波。
根据图中输入输出电波的方向可以确定 S 参数为：
S 参数的信号模型如下图 2-2 所示：
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2.2 功率放大器的工作类型
射频功率放大器包含有传统的功率放大器以及开关模式的功率放大器两种类型。开关模式的功率放大器不适用于宽带功率放的应用，本次分类只针对传统功率放大器进行说明。按照导通角的不同，功率放大器可以被分为，A 类、B 类和 C 类以及 AB 类功率放大器[22-23]四种类型。
（1）A 类功率放大器
A 类功率放大器又被称为线性功率放大器，直流偏置点 Q 处在 I-V 曲线的中心点，导通角为 360°。正是由于在整个周期内一直处于导通现实，保证了其线性度，但是在没有射频信号输入时晶体管又保持了较高的功耗消耗，使得其效率较低，理论上最高只可以达到 50%。
（2）B 类功率放大器
当晶体管偏置点设置正好只有半个周期内导通时，功率放大器的工作为 B类，导通角正好为 180°。由于功率放大器只在半个周期内导通，没有信号输入时，无直流功耗产生，所以效率要高于 A 类，理论上可以达到 78.5%。
（3）AB 类功率放大器
由于在实际应用中，对导通角的控制达到绝对的 180°并不可能，所以 B 类功率放大器并不存在，B 类放大器的提法只是为了划分的方便。当偏置点介于 A类与 B 类之间时，放大器工作与 AB 类，导通角大于 180°小于 360°，因此性能也介于 A 类与 B 类之间，效率较 A 类有所提高，线性度较 B 类有所改善。
（4）C 类功率放大器
若功率放大器的偏置点小于 B 类放大器，导通角不足 180°，那么此功率放大器工作与 C 类。由于晶体管的导通角不足半个周期，所以失真最为严重，理论上效率最高可以达到 100%。
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第 3 章 L 波段宽带功率放大器设计 ........................................ 18
3.1 指标要求 ..................................... 18
3.2 方案设计 ...................................... 19
3.2.1 射频指标分析 ....................................... 19
3.2.2 各级芯片的选取 .................................... 20
3.2.3 板材选取 ...................................... 21
3.2.4 整体结构设计 .................................... 22
3.3 射频电路设计 .............................................. 23
3.3.1 射频电路仿真环境介绍 ......................................... 23
3.3.2 预留级与第一级的匹配设计 ..................................... 24
3.3.3 末前级的设计 .................................... 25
3.3.4 末级的设计 ................................... 31
3.4 控制电路设计 .................................... 35
3.4.1 偏置电路设计 .................................. 35
3.4.2 温度补偿电路 .................................. 36
3.4.3 负压检测及过流保护电路 ................................ 38
3.4.4 过激励保护电路 .............................. 39
3.4.5 过温度保护电路 ............................. 40
3.5 本章小结 ...................................... 41
第 4 章 功率放大器整体性设计 ......................................... 42
4.1 电磁兼容设计 ........................................ 42
4.1.1 电子电路设计 ................................... 42
4.1.2 屏蔽盒的设计 ........................................ 43
4.2 PCB 版图设计 .................................... 43
4.3 散热设计 ........................................... 44
4.4 本章小结 ........................................ 46
第 5 章 调试与测试
根据指标要求已经完成了各部分的电路设计并最终得到功率放大器生产所需版图。但是通过仿真得到电路还不能直接投入应用，若要使功率放大器各项指标都符合设计要求，对射频电路和功能电路进行必要的调试是不可缺少的。理论分析结果与实际电路总会存在一定的差距，因此若是想要得到一个符合设计指标并且性能稳定的功率放大器，必须经过各方面的调试。另外由于本设计使用的末级芯片没有提供设计模型，仿真中只对各级晶体管的输入输出进行了阻抗设计，这就更是加大了射频电路调试的必要性。
功率放大器的调试内容主要有：输入、输出、级间匹配电路和静态工作点以及设计指标所对应的功能电路。通过对射频电路的调试，可以使功率放大器得到尽可能大的输出功率和效率，以及尽可能好的线性度和端口驻波比，并且消除功率放大器所存在的一些异常现象。
功率放大器的调试是一个复杂而枯燥的过程，首先应该能够熟练操作各种微波仪器，避免因操作不当而造成仪器的损坏；其次需要了解造成晶体管损坏的原理，减小不必要的损失。
5.1 功率放大器的调试
5.1.1 静态工作点的调试
末前级为 LDMOS 晶体管，对栅极和漏极的上电时序没有严格要求，静态工作点的调试较为简易。首先通过调节电位器调至最低电压处，保证此时栅极电压分压小于末前级晶体管开启电压。然后在没有供电的条件下，调节电源输出电压为 28V 并对输出电流做好限流设置，使输出电流最大值不超过 1A，最后在接通电源后通过对电位器的调节使电源电流增大 100mA，此时便完成了末前级静态工作电流的调试。
末级芯片为 GaN 晶体管，对栅极和漏极上电时序有着明确的要求，上电顺序为先加栅极偏置电压再加漏极电压，断电顺序为先断漏极电压后断栅极电压。由于 GaN 晶体管栅极要求负压供电，因此当上电顺序颠倒后栅极相当于接有 0V电压，此时将导致漏极大电流而烧毁芯片。在对末级的静态工作点调试之前应该确保上电时序的正确性。末级芯片的调试顺序为：首先，断开栅极和漏极供电电感，使用示波器对栅极和漏极上电和断电时延进行测试，确保时延都在 100uS以上，假如时延不符合要求则需要对单片机进行调试。然后，测量栅极电位器分压电阻，将电压调节至开启电压以下。接着，将栅极和漏极供电电感接通，打开电源调节电位器，使供电电源显示输出电流增大 200mA，至此完成末级静态工作点的调试。
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总结与展望
本论文以项目设计指标为基础，以实际设计生产的流程为顺序，根据设计指标的要求进行了总体方案的制定，并依据设计方案设计了一款具有四级放大器的L 波段 20W 宽带功率放大器，最后通过调试和测试使功率放大器所有指标都符合了设计指标要求。本论文的主要进行了以下工作：
（1）讨论了宽带功率放大器研究的背景及意义，对设计与应用中所需的技术指标进行了简易介绍，并分析了功率放大器的稳定性问题，另外对几种较为成熟稳重的功率放大器宽带设计方法进行了说明与介绍。
（2）依据设计指标制定了宽带功率放大器设计的整体方案，将电路划分为了射频和控制两个部分。对射频部分每一级晶体管的设计提出了预期指标，进行了晶体管的选择，并利用 ADS 仿真软件进行了每一级输入输出匹配电路的设计。根据控制电路的要求进行了射频电路外围电路和功能电路的设计，同时完成了功率放大器的版图和结构盒体的设计。
（3）针对指标的不同要求对功率放大器进行了必要的调试，以此对仿真设计的不足和真实电路存在的差距进行了弥补，最后得到的功率放大器增益大于40dB，增益平坦度小于±2dB，输出功率大于 43dBm，输入端口驻波比小于 1.5:1，效率大于 30％，二次谐波大于 20dBc，都已符合设计要求。
宽带功率放大器作为当今射频功率放大器研究的热门方向，本文首先使用LDMOS 芯片作为前级驱动， GaN 芯片作为末级设计了一款应用于整个 L 波段的 20W 宽带功率放大器。由于末级芯片没有提供用于仿真的器件模型，整个电路的设计没有进行联合仿真，其次本此功率放大器的设计没有考虑互调指标，而互调作为线性度的重要指标，需要在接下来的设计中进行考虑。另外功率放大器末级芯片的输出匹配占用了较大的体积，使得最后出现空间不足的现象，这为最后功率放大器的调试带来了不小的困难。这些都是本次设计的不足，都是接下来需要继续深入研究的地方。
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参考文献（略）