L波段平衡式放大器的研究和分析

电子万花筒 2021-10-14 09:05
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摘要:


研究了一种可用于无线通信领域并在频点1.03 GHz工作的平衡放大器。本文采用微波软件ADS和HFSS联合对平衡放大器的放大模块和滤波电路模块进行仿真和优化。该放大器的中心频率为1.03 GHz,带宽为200 MHz,中心频点处噪声系数为3.2,增益大于10 dB,输入和输出反射系数均小于 12 dB,增益平坦度小于 0.5 dB/50 MHz,稳定系数大于 1。平衡放大器具有体积小,结构简单,价格低,易于组装,高灵活性和绝对稳定性的优点,可以很好地应用于射频工程应用和微波放大要求。

近年来,随着无线通信技术的飞速发展,功率放大器作为射频接收端的重要组成部分,也受到越来越多的关注,并已广泛应用于微波通信和雷达等领域。但是现在人们对功率放大器的性能要求越来越高,不仅局限于增益和输入输出阻抗性能,而且还对放大器的带宽,稳定性,可靠性和体积提出了更多的要求。在航空航天领域,他们对放大电路的稳定性和体积有很高的要求。因此,对小型微波功率放大器的研究具有重要意义。


在各类功率放大器中,平衡式放大器的稳定性和稳定性尤为突出。相比于单端功率放大器,平衡式放大器具有更好的稳定性和输入输出阻抗匹配性能,且输出功率是单路放大器的两倍,可根据实际项目要求利用放大器级联来达到高增益性能。一般的平衡式放大器所需器件多,导致整体电路所占的体积增加。本根据实际需求设计的一款小型化 L波段的平衡式放大器。射频输入端和输出端均采用低损耗的3 dB定向耦合器,来实现对双支端放大器的射频信号的分配和合成。为了减小 PCB板面积,本设计中选用 NBB500放大器,该放大器体积小,内部匹配 50 Ω,因此放大器无需输入和输出匹配网络。为了得到信号更纯净,在射频信号输出端口设置了一低通滤波器 。并在此基础上对 PCB板进行加工和测试,测试结果与仿真结果相似,基本满足设计的需求。


1 器件的选择和级数的确定


本设计中的功率放大器电路是由两级 90°相移耦合器、两级微波放大电路和滤波电路 3 部分组成。根据平衡式功率放大器的传输原理,功率放大器电路会在信号输入端口产生很多的反射,但两级90°相移耦合器射频信号在信号输入端没有反射,可以有效降低了输入端口和输出端口的阻抗匹配。通过微波放大电路输出信号利用3 dB耦合器实现功率合成,而反射信号会被 50 Ω匹配电阻吸收。平衡式放大模块设计原理如图1所示。
图1 平衡式放大器设计原理


本项目是基于 Agilent-ADS 射频软件完成 L 波段功率放大器电路的设计与仿真工作。Agilent ADS作为一款综合型射频设计软件,基本上能满足各种现代射频微波电路设计的需求。


基于本课题对放大器链路的噪声系数要求低,可选用 Qorvo公司的 NBB-500-T作为放大电路的核心部分,它是一种低成本,体积小,高性能的放大器,表面贴装陶瓷封装,易于组合,可适用于通用射频和微波放大模块。同时 NBB-500 采用外部偏置电阻设计,具有灵活性和绝对稳定性等优势。该放大器在低频的增益为19 dB,P1 dB的数值为12.3 dBm,噪声系数为 3.2 dB。而本文所需要的设计指标:在频点1.03 GHz时的增益大于10 dB,噪声系数小于5.0 dB,输入和输出驻波比均小于2.0,增益平坦度小于1 dB/50 MHz。在本项目中对放大模块增益要求是小于10 dB,因此就无需级联放大模块获得高增益。


NBB500工作于未饱和状态,即输出功率没有达到其 P1dB。且 NBB500是一个 100 mW 内匹配的功放模块,只要加上简单的偏置电路即可。其偏置电路结构简单,使用外部串联电阻和扼流电感到 VCC实现偏置,如图2所示。
图2 放大模块偏置电路


选择电阻器将此引脚的电平设置为所需的电平,C 2 和 C 1 可用于电源滤波,同时 R 1 也被作分压,以此提供合适的直流偏置电压。该放大器的静态工作点为3.9 V和35 mA。由于此引脚上有直流,因此在大多数应用中应使用适合工作频率的隔直电容。当供电源为 5 V时,则串联电阻的阻值为 31 Ω;在本设计中因没有31 Ω电阻,所以采用两个阻值为 68 Ω的电阻并联。本文中的功放器为单电源供电,图 2 为放大器外部偏置的电路图。


2 平衡式放大器的设计原理


对于放大器匹配电路的设计是对某一个频点进行设计的。一般来说,选取中心频率来设计放大器的匹配网络,往往作为匹配点。本文选取的匹配频点是中心频点1.03 GHz。本文中微带电路的传输线的长度 L和宽度 W均是由介质基板材料参数和中心频率决定的,利用 ADS的 Line Cale工具可将理想传输线参数转换成微带线参数。输入阻抗为 50欧姆,选用介质基板为罗杰斯 4003,材料的相对介电常数Er为 3.55,介质损耗为 0.002 1,其厚度为 0.508 mm,表面金属覆铜层为0.017 mm。


相比单端放大电路来说,并联放大电路可将输出功率增加一倍,性能更稳定。但为了改善端口驻波和方便调试,采用3 dB平衡式放大结构。


本研究中的两级并联的放大器均工作在小信号状态,所以本文中的输入/输出匹配电路均采用 3 dB微带电桥 ,电桥具体结构如图3所示。


图3 3 dB定向耦合器电路


本项目的增益设计指标为10 dB,选用的单级晶体管的增益为 19 dB,为了改善驻波和调试的方便,采用 3 dB电桥平衡结构。3 dB电桥作为多口网络,在射频、微波电路与系统中应用广泛,具有插损小,抑制高,带内波动小,隔离度大等优势,同时还对射频输入信号和输出信号进行隔离,降低输入端口和输出端口的电压驻波比。1为射频信号输入端,2和3端口分别为信号的输出端,能将一个输入信号分为两个互为等幅且具有 90°相位差的信号。本设计输入端电桥采用两出一进的模式,多出的 4 端口连接上 50 Ω的负载,输出端电桥采用两进一出模式便于功率合成。

输入和输出端口的阻抗为50 Ω。同时在匹配电路和放大器的中间需加入隔直电容 100 pF,主要作用是当放大链路中放大器级联或并联时,各级静态工作点独立且不互相干扰,匹配电路中在远离放大器的地方一般加隔直电容,作为阻抗匹配的一部分,因此在放大器的输入/输出匹配电路都需要加入隔直电容。图 4显示了单支放大器和平衡式放大器仿真效果图。输入输出反射特性,在工作频段内的输出反射系数低于-15dB,输入输出反射性能良好。
图 4 单支放大器和平衡式放大器的仿真效果图


3 滤波模块设计原理


经过放大电路以后,频谱能量已大部分集中在输出频率附近,但为了得到更纯净的单一频率输出,需要采取措施滤去不需要的旁频。在微带电路中,输出低通滤波器常采用高低特性阻抗段的低通滤波器。滤波器为切比雪夫特性,因此该滤波器的中心频率为 1.03 GHz,带内衰减波纹为 1 dB,带内衰减波纹值为 1dB,带外 1.65 GHz 衰减应大于20 dB,采用微波仿真软件 ADS和 HFSS联合仿真设计,最后得到的低通滤波器的尺寸,如图 5所示。计算公式如下:

由 于 对 应 于 L r =1 dB,有 L R =6 dB,故 阻 带 衰减 +L R =(30+6)dB=36 dB,由此查得最少节数为 5。根据带外衰减陡度的要求选定滤波器的最少阶数为 n=5。低通原型滤波器归一化元件参量值:g 1 =2.144 9;g 2 =1.091 1;g 3 =3.000 9;g 4 =1.091 1;g 5 =2.134 9;g 6 =1.000 0。

图5 低通滤波器原理图


4 仿真和实测结果分析


由最后的仿真结果,可以得到在所需频带内增益大于 18 dB,噪声系数小于 4.0 dB,输入和输出驻波比均小于 2.0,增益平坦度小于 1 dB,基本满足设计要求。因本放大器内部匹配 50 Ω,因此无需设计匹配电路,但为了更好改善输入驻波特性,可在放大器的输出端加入 3 dB衰减电路,牺牲功率来补充输入驻波,工作频段内的增益约为 18 dB,输入和输出驻波均小于1.8,可满足实际要求。


5 实物制作与测量


由于制版方的需求,使用微波软件 ADS 绘制PCB板,并进行实物加工并焊接完成后如图6所示。

图 6 平衡式放大器的实测结果


将焊接好的平衡式放大器上电,使用+5.0 V直流电源供电,并记录电源状态,电源显示电压 5.0 V,电流70.0 mA。平衡式放大器的每个管子静态工作电压3.826 V,电流35 mA,放大电路正常工作。实测S参数结果如上图所示,在所需的工作频段内的输入和输出阻抗匹配良好,增益达到15 dB,大于10 dB,利用噪声增益测试仪测量出噪声系数为3.5,而NBB500的噪声系数为3.2,相差0.3;增益为14.60 dBm,与仿真值相比,实测噪声系数略大,增益也相对变小了,这是因为实际工程中焊接加工的误差和测试缆线的损耗,进而影响到整个放大电路的整体性能,但现在实测的结果基本满足课题所设定的指标需求。由噪声系数的测量结果中可以得到,整个频段内的噪声系数平均约为3.5 dB。


6 结 论


本课题对工作于 L波段平衡式放大器展开了分析和研究,该类型放大器性能稳定,可靠性高。采用微波仿真软件 ADS和 HFSS联合对平衡式放大电路进行仿真,在放大模块的输入和输出电路均采用3 dB定向耦合器实现功率的分配和合成,可有效地提高输入和输出端口的阻抗匹配情况。在中心频率1.03 GHz处,由S参数仿真结果可得到增益为19.12 dB。矢网分析仪实测出在中心频率1.03 GHz的增益为14.97 dB,可能是因 0.5 dB 的线损和 SMA 接头引入的损耗0.5 dB 以及电容焊接误差。输出 P1 dB 压缩点功率为 12.45 dBm,S11和 S22均小于-12 dB,与仿真结果基本吻合,增益平坦度小于0.2 dB/50 MHz,实测结果与仿真结果基本一致。(参考文献略)

作者:臧 宏 ,张青春  ,朱良凡  ,赵桂芳 ,朱维玮

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