平衡功率放大器的设计与实现

因为平衡放大电路中包含了3 dB耦合器，所以有必要先分析一下3 dB耦合器的传输特性。参考图1来描述3 dB耦合器的传输特性：(1)如果射频信号从1端口输入其他端口连接匹配负载，则1端口入射的射频信号的功率被平均分配到2端口和3端口输出并且输出信号的相位在2端口相对于3端口超前П/2，在4端口由于信号抵消而没有功率输出；(2)如果2端口和3端口输入相同幅度的射频信号，并且在相位上2端口的射频信号超前3端口射频信号П/2，则射频功率在4端口输出并且功率为输入功率之和，在1端口由于信号抵消没有功率输出。
根据上述3 dB分支耦合器的传输特性，1端口入射的射频信号经过3 dB耦合器后，被平均分配到2个放大器芯片T1和T2的输入端口，其中2端口的射频信号超前3端口П/2。假设2个放大电路的特性完全一致，则放大器芯片T1和T2反射的射频信号幅度相同，反射信号将进入3 dB分支耦合器。由于反射信号在2端口的相位超前3端口П/2，按照3 dB分支耦合器的特性，合成功率在4端口输出被50 Ω的匹配电阻吸收，而在1端口则没有输出。因此，即使2个放大电路在输入端产生很大的反射，在平衡放大电路的射频输入端可以没有射频信号的反射，实现很低的输入驻波系数。同理，经过放大电路后的输出信号会在放大电路的输出端口合成，而反射信号则被50 Ω的匹配电阻吸收，可以大幅度降低放大电路的输出驻波系数。
2 放大器设计及优化
2.1 设计指标
频率范围：902 MHz～928 MHz；输入功率：19 dBm；输出功率：32 dBm；增益：13 dB；增益平坦度≤±0.5 dB；二次谐波分量≤-30 dBc；输入、输出驻波比≤1.5。
2.2 器件的选择
平衡功率放大器的设计需要2个3 dB正交耦合器和2个放大器芯片，由于电路结构完全对称，所以上下2个放大器芯片完全相同。3 dB正交耦合器的选择主要考虑其输入、输出驻波比。放大器芯片的选择主要考虑其1 dB增益压缩点。本设计选择了Anaren公司的3 dB正交耦合器XC0900A-03。该耦合器工作频段在811 MHz～1 000 MHz，驻波比都在1.5以下。放大器芯片为WJ公司的FP31QF，该放大器芯片的工作频段为50 MHz～4 000 MHz，在915 MHz时1 dB压缩点的输出功率可达34 dBm。上述器件的特性指标都满足设计要求，因此这些器件可以很好地应用在平衡功率放大器的设计中。
2.3 直流工作点的确定
在晶体管的技术参数中，半导体厂家通常会给出放大器芯片的直流工作电压和电流。本设计的放大器芯片FP31QF采用技术参数给定的（V_ds=9 V，I_ds=450 mA）直流工作点来设计直流偏置电路。
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。