平衡功率放大器的设计与实现

2.4 直流偏置电路的设计
良好的直流偏置设计目标是选择适当的静态工作点，并在晶体管参数和温度变化的范围内，保持静态工作点的恒定[4]。本功放采取先对直流供电并联不同值的滤波电容用以滤除供电电压中不同频率的纹波，再通过射频扼流圈把直流电压馈入放大器。射频扼流圈对直流相当于短路，对射频信号相当于开路防止射频信号泄露。实际中用电感代替射频扼流圈能够起到相同的作用。
2.5 匹配网络的设计
本文的输入、输出匹配网络是根据数据手册给定的器件S参数，按照小信号放大器的设计方法来设计的[5]。由于平衡功率放大器的结构是完全对称的，所以只需要对一个放大器芯片进行输入、输出匹配网络的设计。
整个放大器的源阻抗和负载阻抗均按50 Ω设计[6]。首先，设计放大器芯片的输入匹配。根据器件数据手册给定，工作频率为1 000 MHz时放大器芯片S11=0.9∠-160.54参数，采用集总参数匹配中的T型匹配网络利用Smith圆图把放大器芯片的S11匹配到50 Ω。其次，设计放大器芯片的输出匹配网络。根据数据手册给定，工作频率1 000 MHz时第二阶放大器S22=0.49∠-162.14参数。采用集总参数匹配中的L型匹配网络利用Smith圆图把S22匹配到圆图的中心。L型匹配网络中的串联电容直接放在放大器芯片输出端，既起到隔直作用，又起到匹配作用。整个放大器的匹配网络都是根据器件数据手册提供的工作频率在1 000 MHz时的S参数设计的，而放大器的实际中心工作频率为915 MHz。之后会通过仿真优化消除匹配网络设计所带来的误差。
2.6 仿真优化
选择器件的S参数模型，采用Agilent公司的仿真软件ADS2008对设计完成的整个平衡功率放大器进行仿真优化。优化目标设在902 MHz～928 MHz频段内，放大器的增益平坦度≤±0.5 dB；输入、输出驻波比≤1.5。仿真优化结果如图2、图3所示。

图2中的m1表示在902 MHz～928 MHz频段内，放大器最大增益偏离平均值0.05 dB，m2表示最小增益偏离平均值为-0.052 dB；图3中的m3和m4分别表示在整个频段内放大器的输入驻波比最大为1.02，放大器的输出驻波比最大为1.047。
仿真结果表明，整个工作频段内放大器的增益平坦度≤±0.1，输入、输出驻波比≤1.1，完全满足设计指标要求。
3 实际测试
电路板加工完成后，进行焊接。在焊接时，一定要注意放大器芯片和耦合器底部的散热片与PCB板散热片的充分接触。如果散热片没有充分接触，则会导致放大器芯片和耦合器的结温过高，从而使放大器和耦合器不能正常工作。电路板焊接完成后，需对放大器进行实际的测试。
采用惠普公司的HP8594E频谱分析仪对放大器的输出功率、二次谐波分量参数进行测量。测试前需给放大器提供-1 V的栅极和9 V的漏极直流偏置电压，使放大器正常工作。放大器的输入端输入一个频率为922.375 MHz、功率为19 dBm的已调波信号。由于频谱分析仪最大的输入功率为30 dBm。为了防止频谱仪的损坏，测试时频谱仪的输入端需加一个衰减器，衰减值应保证大于放大器额定输出功率与频谱仪最大输入功率的差值。本设计使用了一个30 dB衰减器，测试结果如图4、图5所示。

图4为放大器的输出功率测试结果。由图中的标记可以看出，在输入功率为19 dBm、频谱仪输入端加30 dB衰减的条件下，放大器的输出功率为2.67 dBm。由此可以推断出放大器的实际输出功率为32.67 dBm，同时可得放大器在该频点的功率增益达13 dB。图5为放大器的二次谐波分量测试结果。放大器的输入频率为922.375 MHz，则放大器的二次谐波频率为1 845 MHz。图中标记显示在输入功率为19 dBm，频谱仪输入端加30 dB衰减的条件下，放大器的二次谐波输出功率为-38.33 dBm。二次谐波分量为放大器的二次谐波分量输出功率减去基波分量输出功率。由此可得二次谐波分量为-41 dBc。
由上述测试结果可得放大器的输出功率为32.67 dBm，二次谐波分量为-41 dBc功率增益达到13 dB，完全满足设计指标所要求的输出功率32 dB、二次谐波≤-30 dBc、增益为13 dB。
本文在分析平衡功率放大器电路结构和工作原理的基础上，清楚、直观地演示了运用平衡放大技术来设计读卡器末级功率放大器的过程。仿真和实际测试结果显示，所设计的功率放大器实现了工作频带内低增益平坦度和良好的输入、输出驻波比等要求。