射频功率放大器的小信号设计法

０ 弓 言 ｌ
线性高 ， 推荐使用 Ａ类工作状态 ， Ａ类工作时， 流漏极电 在 直 流应 为器件 Ｉａ ｍ ｘ的 １２； ／ ④根据增益和输入 匹配要求优化输入 电路：
射频功率放大器 的设计是工程上 的难题 。射频 ＭｓＥ ＥＦＴ
功率管工作在大信号状态下， 接近功率饱和区附近， 此时的
（ 江西财经大学， 西 南昌 ３ ｏ １） 江 ３Ｏ ３
（ｉｎ ｘ ｎ ｖｒ ｉ ｙ ｏ ｉａ ｃ ｎ ｃｎ ｍ ｃ ，Ｊ ａｇ ｉＮ ｎ ｈ ｎ ３ Ｏ ３ Ｊ ａ ｇ ｉｕ ｉｅ ｓ ｔ ｆ Ｆ ｎ ｎ ｅａ ｄ Ｅ ｏ ｏ ｉ ｓ ｉ ｎ ｘ ａｃ ａ ｇ ３ Ｏ １ ）
摘
要 ：由于缺少大功率器件模型 ， 射频功率放大器的设 计是工程上的一个难点。本文提 出了一种利用功率器件 的小信
②根据频率、 带宽确定匹配网络的结构；
④根据工作类型和 电源要求选择偏置 电路 。 若电路要求
一
一
在 较高频率， 一般采用分布参数元件 匹配 电路 。 分布 在 参数 电路 中， 用细长的微带线代替 电感， 用短 而宽 的微带线 代替并联电容 ， 偏置扼流圈用 １４波长微带线构成 。同时分 ／ 布参数 匹配电路 的元件尺寸与频率成 比例， 这表 明电路的工 作频率越高， 电路 的尺寸越小 。
问题， 必须通过添加稳定网络加 以纠正。
图三
Ｒ Ｌ的确定
负载线电阻 Ｒ Ｌ用功率管输出负载来表示 。为 了保 证在
在以小信号 ｓ 参数 （ 及静态 Ｉｖ 性曲线） －特 作为模型来 设 计功 率放 大器 时， 们必须以 Ｒ （ 我 Ｌ相对 Ｒ 最大 输出功率 Ｆ
的负载线 电阻） 匹配为 目标， 优化和确定输 出匹配电路元件
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号模型设计功率放大器 的方法 。 关键词 ：射频功 率放大器 ； 小信号法； 功率匹配； 放大器优 化 中图分类号 ：Ｔ ８ ２ ＰＯ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： ６ １ ４ ９ 一２ ０）０ ０ ２ — ２ １ ７ — ７２ （０ ８１ — ２ ９ ０
Ａｂ ｔａ ｔＤ ｅ ｔ ｈ ａ ｋ ｆ ｉ ｈ ｐ ｗ ｒ ｅ ｉ ｅ ｏ ｅ ， ｈ ｄ ｓ ｇ ｆ Ｆ ｐ ｗ ｒ ａ ｐ ｉ ｉ ｒ ｓ ｅ ｙ ｄ ｆ ｉ ｕ ｔ ｓｒｃ ： ｕ ｏ ｔ ｅ １ ｃ ｏ ｈ ｇ — ｏ ｅ ｄ ｖ ｃ ｍ ｄ １ ｔ ｅ ｅ ｉ ｎ ｏ Ｒ ０ ｅ ｍ ｌ ｆ ｅ ｉ Ｖ ｒ ｉ ｆ ｃ ｌ
４ 封装寄生元件的提取
①输入 匹配电路设计是典型的小信号设计过程 ： 通过对 器件 的小信号 ｓ 参数仿真进行增益优化和确定输入 匹配 电 路结构及元件参数， 输入 匹配电路确保对最大增益 匹配； ②输出匹配电路的设计则是使用小信号模型设计大信
为了优化 Ｍ ｓ Ｅ ＯＦ Ｔ管的输出电路，在设计输出匹配 电路
电路 ：
信号器件模型 的情况下， 用小信号模 型设 计功率放 大器 的 运
方法 。 １ 基本设计思路
⑦为实现射频输 出功率最大化， 优化输 出匹配 电路达最
佳值 Ｒ： Ｌ
④ 根据实际情况， 优化电路， 确保宽带的稳定。
２ 输 出匹配 电路
基本设计思路如 图一所示。
输出匹配 电路原理框图如二所示。
时， 必须考虑封 装元件的影响， 管子 的漏极 、 将 源极所有寄生 元件计入 总输 出匹配电路， 从而实现准确 的功率匹配。 封装寄生元件可简单地模拟成 串联在 栅 、漏 、源端 的
Ｒ Ｌ电路 ， ｑ 采用 Ａ ｓ仿真该模型 的电原理 图， Ｄ 可分 析 出相应
号 电路的过程： 通过器件的 ｓ 参数模型和 ＩＶ — 曲线来确定负 载线 Ｒ，输出匹配电路的阻抗 匹配保证 了输 出功率的最大 Ｌ
近似值 。 ５ 仿真优化放大 器的输出功率特性
率输出时的负载线 Ｒ Ｌ得到， 如图三所示。
在宽频带 内，功率放大器的工作频率是无条件稳定的。
Ｒ — ＲＦ 【 Ｏｕ
但在低频端， 降为有条件稳定。 因为高功率 ＭｓＥ 的跨导非 ｏＦＴ
常高， 从而导致低频潜在的高增益， 因而产 生了低频稳定性
实现 ［］ 计算机与数字工程 ，。 ６ （２ ． Ｊ． ２ 。 ， １）
［ 郝国欣 ， ２ ］ 金燕波 ， 郭华 民． 大功率宽带射频 脉冲功率 放大器设计 ［ 。 Ｊ 电子技术应用，０６ （ ． ］ ２ｏ ，３ ） ［ 南敬昌 ， ３ ］ 刘元安 ， 高泽华 ． 基于 Ａ ｓ Ｄ 软件 的射 频功率 放大器仿真实现 ［ ． Ｊ 电子技术应用，Ｏ７ （） ］ ２Ｏ ， ． ９ 图四 Ｒ 的计算 Ｌ
化。
３ 输出电阻 ＲＬ的确定
的等效屯路：用一组接近管子等效 电路元件真实值为初值， 所有 电路元件都指定为优化变量， 通过 Ａｓ Ｄ 优化器调整模型
的ｓ 参数依次变化， ｓ参数无 限接近器件的小信号 ｓ 当 参数 时， 则与等效 电路一致 。对于无封装芯片， Ａ类工作条件 在
输出匹配网络要为负载提供最大功率输出， 则网络的输
出阻抗应等于负载阻抗 的复数共轭值 。 射频放大器 的负载阻 抗是纯实数 Ｒ ，所以最佳输 出匹配 电路反映到功率管漏极 Ｉ 负载的阻抗 也必须等于 Ｒ 。产生最大功率的输出阻抗 Ｒ Ｌ Ｆ可
由实验 测试确定， 可根据 Ｍ ｓ Ｅ 管 ＩＶ曲线， 也 ０ＦＴ — 计算最大功
下， 可根据 ＭｓＥ 管的总栅宽， ｏＦＴ 定量计算 出其等效电路元件
Ｉｖ ＿ 特性呈现非线性 。 而大部分器件 厂商通常只提供功率器 件 的小信号 ｓ 参数和静态 Ｉｖ ＿ 曲线， 参数和静 态 Ｉｖ ｓ ＿ 曲线
只适合小信号状态下 的分析与设计 。 文提 出一种在 没有 大 本
⑤ 定器件静态 Ｉ 曲线负载线； 确 ⑥提取封 装寄生元件， 将此寄生元件计算输入输 出匹配
①依 据各 级放 大器级连 的要求选择对 应的各级器件 ， 确 保各级放大器 同步平滑地进入 饱和区，没有 任意一级先饱
和；
尺寸的集总电容和线绕电感构成低通结构或高通结构的匹
配 电路， 也可是两者的混合使用 。 要在所需带宽 内达 到 良 若 好 匹配， 有时要设 计多级 电路 匹配结 构， 常应使 用尽量少 通 的级数， 以减少两 电路的复杂性 和成本。
ｉ ｒ Ｊ ｃ ， ｎ ｔ ｉ ｅ ｔ ａ ｅ ｉ ｎ ｍ ｔ ｏ ｆ Ｐ ｗ ｓ ｐ ｏ ｏ ｅ ｂ ｈ ｏ ｅ ｏ ｍ ｌ — ｉ ｎ １ ｎ ｐ ｏ ｅ ｔ ｉ ｈ ｓ ｔ ｘ ， ｄ ｓ ｇ ｅ ｈ ｄ ｏ Ａ ａ ｒｐｓｄ ｙ ｔｅ ｍ ｄ １ ｆ ｓ ａ ｌ ｓ ｇａ ． Ｋｅ ｗＯ ｄ ｙ ｒ Ｓ：Ｒ ｏ ｅ ｒ ｌ ｆ ｅ ｓ Ｆ Ｐ ｗ ｒ Ａｎ ｉ ｉ ｒ ；Ｓ ａ ｌ Ｓ ｇ ａ ｅ ｈ ｄ；Ｐ ｗ ｒ Ｍ ｔ ｈ ｎ ； Ａ ｐ ｉ ｉ ｒ ０ ｔ ｍ ｚ ｄ ｐ ｍ ｌ ｉｎ １Ｍ ｔ ｏ ０ ｅ ａ ｃ ｉ ｇ ｍ ｌ ｆ ｅ ｐ ｉ ｉ ｅ
匹配电路的设计原则如下：
Ｒ ＝ Ｑ （ｂ Ｖ ） ２ ｏ ｔ Ｌ ｓ Ｒ Ｖ — ｓ ／ Ｐ ｕ
在设计 Ｒ 时还需注意 以下几点 ： Ｌ ①负载牵引实验表明， 了考 虑纯负载线 电阻外 ， 除 还必 须考虑匹配一个小 电抗，即与 Ｒ Ｌ并联 的电容 ｃ ｓ ｃ ｓ的值 ｄ，ｄ 约每毫米栅宽 ｏ １Ｆ ．Ｐ ； ②在器件可靠的前提下，击穿电压是确定 Ｍ ｓ田 器件 ０Ｆ 偏置 电压和最大输出功率的关键参数 。
配 电路。 在优化前， 必须得到尽可能完整的输出电路模型， 再 在工作频 率对其优化， 达到与 Ｒ 乙的最佳匹配 。 功率管封装的 寄生元件必须包括在该模型 中， 这些元件完全或在很大程度
上确定了串联 匹配电感 。 参考文献
［ 龚剑 ， 荫， １ ］ 张祖 郭伟 ． 功率放大器模块 的设 计与 射频
图二
输出匹配电路原理框 图
为了得到高增益和最大输出功率， 匹配电路将输入信源
和负载阻抗变换到合适的阻抗， 匹配 ＭｓＥ 管 的源极 和漏 ＯＦＴ
图一 基本设计思路 设计步骤如下：
极 。同时， 匹配电路含有电抗元件， 频率具有选择性， 对 这决 定了放大器的 中心频率和带 宽。 在较低频率， 一般采用集总元件构成 匹配 电路 。利用小
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大功率输 出时的线性， 功率管～般应选用线性最好的 Ａ 类工 作状态 ， 根据偏置 电压和输出功率即可计算 出相应的负载电
阻 。在如 图四所示的 Ｉｖ曲线中， ＿ 仅由要 求的输 出功率和预 计的漏源 电压就能直接求得 Ｒ Ｉ 。
值， 然后再优化输入 匹配电路 的元 件值， 改善 增益和输入 匹
射
频
功
率 放 大 器 的 小 信 号
设 计 法
Ｄ ｓ ｇ ｆ Ｒ ０ ｅ ｍ １ ｆ ｅ ｓ ｂ ｍ ｌ— ｉ ｎ ｌ ｅ ｉ ｎ ０ Ｆ Ｐ ｗ ｒ Ａ ｐ ｉ ｒ ｙ Ｓ ａ ｓ ｇ ａ ｉ ｌ
周忠保
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