一種全新高功率線性功率放大器的設(shè)計

1 引言

寬帶高功率放大器在諸如無線通信、基站等設(shè)備中是重要的一部分，寬帶高功率放大器的線性度、功率附加效率和帶寬是衡量功率放大器性能的很重要的參數(shù)，在設(shè)計中要充分考慮各項指標的要求，并折中處理以獲得好的設(shè)計。在進行功率放大器的設(shè)計時，由于缺少晶體管的大功率精確模型，并且廠商一般只提供小信號S參數(shù)，而功率放大器工作在非線性，因此嚴格的試驗設(shè)計是必須的（比如可以采用負載牽引技術(shù)），這是一項比較困難的任務(wù)，要不斷的完善以達到最好的性能。除此之外，在設(shè)計中阻抗匹配和功率合成設(shè)備的設(shè)計也是比較重要部分，好的匹配電路可以提高功率放大器的性能，可以提高效率和輸出功率等，而通常單管的輸出功率不能滿足許多情況的需要，這樣就可以采用功率合成網(wǎng)絡(luò)來進一步提高輸出功率。我們通?？紤]電源和負載是實阻抗，在這種情況下LC網(wǎng)絡(luò)不能作為匹配電路的可靠設(shè)計。

但是實際上，電源和負載阻抗的實際成分也包含電抗部分，這樣就使得匹配目標是雙重的，它要求在抵消其電抗成分同時，也要起到實阻抗變換的功能。當(dāng)帶寬轉(zhuǎn)換率比較大的時候，這種阻抗變換可以由變壓器來實現(xiàn)。但是普通的同軸線變壓器的頻率響應(yīng)受到線圈之間的泄漏自感應(yīng)和寄生電容的限制而使得應(yīng)用不是很廣泛，不同的是，傳輸線變壓器通過外部和中心分別使用一個同軸電纜導(dǎo)體來作為初級線圈和次級線圈，來形成一個1：1的變壓器，有了這個1：1傳輸線變壓器網(wǎng)絡(luò)，通過不同的連接來實現(xiàn)不同的阻抗率的變換。而且，利用這個1：1變壓器的拓撲連接，寬帶射頻功率合成器能獲得更高的功率水平。本文研究利用傳輸線變壓器來研究20-100MHz的線性功率放大器，實現(xiàn)150W的輸出功率。

2 傳輸線變壓器

2.1 傳統(tǒng)的磁性同軸變壓器

盡管傳統(tǒng)的變壓器在結(jié)構(gòu)上是比較簡單的，并且也能得到任何阻抗變換率，但是這種結(jié)構(gòu)是窄帶的并且功率也是有限的。即使這種傳統(tǒng)的變壓器能正常的工作在高頻段，然而在工作頻段的高頻段其寄生耦合電容和泄漏自電感發(fā)生惡化。由于這種變壓器是以磁芯作為耦合煤質(zhì)，它的插入損耗必定比使用傳輸線變壓器的插入損耗要大的多，而且磁芯有某種磁場流量飽和特性，這就使得這種變壓器的功率完全由線圈所使用的磁性物質(zhì)所決定的。

2.2 傳輸線變壓器

LC諧振回路作為負載的射頻諧振功率放大器，相對通頻帶寬只有百分之幾甚至千分之幾，因此只能算是窄帶射頻功率放大器。要實現(xiàn)寬帶射頻功率放大器，首先是不能用具有選頻能力的諧振回路作為負載，只能用寬帶網(wǎng)絡(luò)或阻性負載，當(dāng)然這可能導(dǎo)致輸出信號產(chǎn)生的諧波無法得到有效的改善。一般寬帶放大器只能工作在效率較低的甲類或甲乙類。眾所周知，功率放大器的輸入阻抗及輸出阻抗變化大，寬帶匹配問題就成為設(shè)計寬帶射頻功率放大器的關(guān)鍵。

傳輸線變壓器是一種較理想的高頻寬帶耦合及匹配元件，由于它采用傳輸線作為繞組，較合理地將分布電容，線圈漏感加以利用或限制，使響應(yīng)頻帶得到很大的展寬，解決了傳統(tǒng)變壓器難于解決的問題。傳輸線變壓器相比傳統(tǒng)的變壓器可以實現(xiàn)更高的工作頻率、更寬的帶寬、更高的功率和較小的阻抗值。目前，它的使用頻率已經(jīng)超過1GHZ，成為高頻和微波電路低端的一種極為有用的耦合裝置，廣泛地用于阻抗變換，單端－平衡轉(zhuǎn)換，功率的合成和分配等目的，成為放大器級間耦合，混頻，調(diào)制，鑒頻，鑒相，射頻高速開關(guān)，功率合成技術(shù)等方面的重要工具。

在利用傳輸線變壓器來設(shè)計寬帶高功率放大器中，精確的傳輸線變壓器的模型是設(shè)計中的關(guān)鍵基礎(chǔ)，圖1是傳輸線變壓器的模型，在這個模型中，RCI和RCO代表在磁性材料中的泄漏場而產(chǎn)生的內(nèi)部導(dǎo)線和外部導(dǎo)線的芯損耗，LMAGI和LMAGO表示在磁性材料中的泄漏場而產(chǎn)長的有限磁化自感應(yīng)系數(shù)。這些參數(shù)可以用阻抗分析和網(wǎng)絡(luò)分析而得到。其他參數(shù)是寄生參量，并且在VHF的高頻端才有意義，這些值可以由曲線率而求得（圖1中LWI與LWI1、RWI與RWI1、LWO與LWO1、CW與CW1分別各自相等）。

圖1 磁性材料的同軸電纜

3 推挽功率放大器

推挽放大器是產(chǎn)生大功率的一種很好的方法，由于電路具有對稱性，這樣放大器工作具有高線性和帶寬大，適合設(shè)計寬帶高功率放大器。推挽放大器有很多優(yōu)點：在一支管子損壞的情況下，另一支管子的工作是安全的；推挽結(jié)構(gòu)抵消了三極管非線性成分中的偶次諧波，雜散抑制高；增益比一般功率合成要提高3dB等?？紤]到本文輸出的脈沖功率較高，且綜合考慮成本和現(xiàn)有條件等，本采用推挽放大器來實現(xiàn)高功率線性放大器。

分別使用平衡MOSFET或雙極器件的共源或共射推挽工作，增加了輸入和輸出阻抗。對于相同的輸出電平下，推挽工作模式下的輸入阻抗Z_in和輸出阻抗Z_out近似地比它們并聯(lián)工作模式下的高接近四倍。同時，輸入和輸出品質(zhì)因數(shù)保持不變，因為Z_in和Z_out的實部和虛部都增加4倍。推挽工作的基本概念可使用圖2所示等效電路進行分析。