低电压高效率微波功率放大器研究与设计

摘要 介绍了一种应用于低电压的微波双极性晶体管放大器的电路设计方法。通过分析微波晶体管的模型，比较了小信号法、负载牵引法和文中使用匹配方法对输出功率、效率和线性度的影响。文中设计了一款可以用于GSM通信终端发射的功率放大器，并对采用3种不同匹配方式进行对比，仿真结果表明，文中所用方法输出功率和效率较高、线性度较好。
关键词 功率放大器；高效率；低电压；双极性晶体管

    功率放大器设计的好坏直接影响着整个系统的性能。按照其工作状态一般可以分为A、B、C类，以及类似于开关工作状态的D、E、F类等。或根据放大器输出功率的大小，将放大器设计分为小信号设计和大信号设计。利用谐波平衡负载牵引法进行非线性电路设计，是目前较为有效的一种方法。该方法已经广泛应用到大信号器件特性的提取以及非线性电路设计中。
    但是，对于工作在低电压的微波放大器设计，如何更好地通过匹配电路提高效率和线性度却少有报道。小信号法在小信号时效果较好，不适用于大信号分析。负载牵引法输出功率和效率都较好，但线性度较差。文中结合小信号法和负载牵引法的各自特点，提出输入匹配电路采用小信号匹配法，输出匹配电路采用负载牵引法，得到较好的性能。

1 工作原理
    小信号法又称增益匹配法，放大器工作在线性状态下，给定放大器的增益，在Smith圆图中，做出输入输出的增益圆，得出增益点的源和负载反射系数，然后根据源和负载反射系数做出输入输出匹配电路。
    随着输入功率的增加，放大器进入非线性区域，产生一系列失真，按照小信号法的分析结果不再适用于大信号状态。
    谐波平衡负载牵引法是通过不断改变晶体管负载阻抗，测试功放的输出功率和效率。在最大输出功率和最大效率之间取一个阻抗值作为输出阻抗。同理，改变源阻抗，在最大输出功率和最大效率之间取一个值作为输入阻抗。
    由于谐波平衡负载牵引法是按照输出功率和效率设计匹配电路，所以其小信号时的增益一般不如小信号法高，而且线性度较差。根据小信号法增益高、谐波平衡负载牵引法输出功率和效率高的特点，文中输入端采用小信号法匹配，输出端采用谐波平衡负载牵引法匹配设计了一款可以用于GSM通信终端发射的功率放大器，并对采用3种不同情况的输出功率、效率、线性度进行了比较。

2 放大器设计
    文中选用NEC公司的NE662M04 NPN晶体管，静态工作点为：工作电压2V，基极电为300μA时，工作电流20mA。
2．1 小信号法
    用安捷伦公司ADS设计软件，采用小信号分析方法，得出最大增益为17．384dB。输入输出增益圆如图1，图2所示。输入阻抗5．858+ j2．288 Ω，输出阻抗43．404+j52．364Ω。输入功率为0 dBm时，输出功率为12．76 dBm，效率为23．57％，如图5和图6所示。

2．2 负载牵引法
    首先通过负载牵引法，等输出功率圆如图3所示。输出功率最大点的输出阻抗为35．858+j52．288Ω。将放大器的负载阻抗设为该值，再使用源牵引法，等输出功率圆如图4所示。最大输出功率点的输入阻抗为7．258+j2．689 Ω。输入功率为0 dBm时，输出功率为15．58 dBm，效率为47．68％，带外功率抑制比为-39 dBe(偏离中心频率60MHz处)。如图5～图7所示。

2．3 小信号法和负载牵引法相结合
    输入端采用小信号匹配法，得到和图1一样的等增益圆，输人阻抗为5．858+j2．288Ω。输出端用负载牵引法得到输出阻抗为53．46l+ j62．314Ω。当输入功率为0 dBm时，输出功率为15．43 dBm，效率为50．34％，带外功率抑制比为-43．2 dBe。如图5～图7所示。

    比较图5～图7可以看出，当工作在大信号时，文中所用方法和负载牵引法相比：输出功率相近、工作效率高、邻信道功率抑制比好。

3 结束语
    针对工作在低电压状态的微波放大器，对小信号匹配法和负载牵引进行了分析，并结合两种方法的各自特点，提出输入匹配采用小信号法，输出匹配采用负载牵引法。并将这3种匹配方法进行比较，设计了一款低电压功率放大器，仿真实验证明，文中所用方法输出功率和效率较高、线性度较好。