摘要：

研究了一種可用于無線通信領域并在頻點1.03 GHz工作的平衡放大器。本文采用微波軟件ADS和HFSS聯合對平衡放大器的放大模塊和濾波電路模塊進行仿真和優化。該放大器的中心頻率為1.03 GHz，帶寬為200 MHz，中心頻點處噪聲系數為3.2，增益大于10 dB，輸入和輸出反射系數均小于 12 dB，增益平坦度小于 0.5 dB/50 MHz，穩定系數大于 1。平衡放大器具有體積小，結構簡單，價格低，易于組裝，高靈活性和絕對穩定性的優點，可以很好地應用于射頻工程應用和微波放大要求。

近年來，隨著無線通信技術的飛速發展，功率放大器作為射頻接收端的重要組成部分，也受到越來越多的關注，并已廣泛應用于微波通信和雷達等領域。但是現在人們對功率放大器的性能要求越來越高，不僅局限于增益和輸入輸出阻抗性能，而且還對放大器的帶寬，穩定性，可靠性和體積提出了更多的要求。在航空航天領域，他們對放大電路的穩定性和體積有很高的要求。因此，對小型微波功率放大器的研究具有重要意義。

在各類功率放大器中，平衡式放大器的穩定性和穩定性尤為突出。相比于單端功率放大器，平衡式放大器具有更好的穩定性和輸入輸出阻抗匹配性能，且輸出功率是單路放大器的兩倍，可根據實際項目要求利用放大器級聯來達到高增益性能。一般的平衡式放大器所需器件多，導致整體電路所占的體積增加。本根據實際需求設計的一款小型化 L波段的平衡式放大器。射頻輸入端和輸出端均采用低損耗的3 dB定向耦合器，來實現對雙支端放大器的射頻信號的分配和合成。為了減小 PCB板面積，本設計中選用 NBB500放大器，該放大器體積小，內部匹配 50 Ω，因此放大器無需輸入和輸出匹配網絡。為了得到信號更純凈，在射頻信號輸出端口設置了一低通濾波器 。并在此基礎上對 PCB板進行加工和測試，測試結果與仿真結果相似，基本滿足設計的需求。

1 器件的選擇和級數的確定

本設計中的功率放大器電路是由兩級 90°相移耦合器、兩級微波放大電路和濾波電路 3 部分組成。根據平衡式功率放大器的傳輸原理，功率放大器電路會在信號輸入端口產生很多的反射，但兩級90°相移耦合器射頻信號在信號輸入端沒有反射，可以有效降低了輸入端口和輸出端口的阻抗匹配。通過微波放大電路輸出信號利用3 dB耦合器實現功率合成，而反射信號會被 50 Ω匹配電阻吸收。平衡式放大模塊設計原理如圖1所示。

圖1 平衡式放大器設計原理

本項目是基于 Agilent-ADS 射頻軟件完成 L 波段功率放大器電路的設計與仿真工作。Agilent ADS作為一款綜合型射頻設計軟件，基本上能滿足各種現代射頻微波電路設計的需求。

基于本課題對放大器鏈路的噪聲系數要求低，可選用 Qorvo公司的 NBB-500-T作為放大電路的核心部分，它是一種低成本，體積小，高性能的放大器，表面貼裝陶瓷封裝，易于組合，可適用于通用射頻和微波放大模塊。同時 NBB-500 采用外部偏置電阻設計，具有靈活性和絕對穩定性等優勢。該放大器在低頻的增益為19 dB，P1 dB的數值為12.3 dBm，噪聲系數為 3.2 dB。而本文所需要的設計指標：在頻點1.03 GHz時的增益大于10 dB，噪聲系數小于5.0 dB，輸入和輸出駐波比均小于2.0，增益平坦度小于1 dB/50 MHz。在本項目中對放大模塊增益要求是小于10 dB，因此就無需級聯放大模塊獲得高增益。

NBB500工作于未飽和狀態，即輸出功率沒有達到其 P1dB。且 NBB500是一個 100 mW 內匹配的功放模塊，只要加上簡單的偏置電路即可。其偏置電路結構簡單，使用外部串聯電阻和扼流電感到 VCC實現偏置，如圖2所示。

圖2 放大模塊偏置電路

選擇電阻器將此引腳的電平設置為所需的電平，C 2 和 C 1 可用于電源濾波，同時 R 1 也被作分壓，以此提供合適的直流偏置電壓。該放大器的靜態工作點為3.9 V和35 mA。由于此引腳上有直流，因此在大多數應用中應使用適合工作頻率的隔直電容。當供電源為 5 V時，則串聯電阻的阻值為 31 Ω;在本設計中因沒有31 Ω電阻，所以采用兩個阻值為 68 Ω的電阻并聯。本文中的功放器為單電源供電，圖 2 為放大器外部偏置的電路圖。

2 平衡式放大器的設計原理

對于放大器匹配電路的設計是對某一個頻點進行設計的。一般來說，選取中心頻率來設計放大器的匹配網絡，往往作為匹配點。本文選取的匹配頻點是中心頻點1.03 GHz。本文中微帶電路的傳輸線的長度 L和寬度 W均是由介質基板材料參數和中心頻率決定的，利用 ADS的 Line Cale工具可將理想傳輸線參數轉換成微帶線參數。輸入阻抗為 50歐姆，選用介質基板為羅杰斯 4003，材料的相對介電常數Er為 3.55，介質損耗為 0.002 1，其厚度為 0.508 mm，表面金屬覆銅層為0.017 mm。

相比單端放大電路來說，并聯放大電路可將輸出功率增加一倍，性能更穩定。但為了改善端口駐波和方便調試，采用3 dB平衡式放大結構。

本研究中的兩級并聯的放大器均工作在小信號狀態，所以本文中的輸入/輸出匹配電路均采用 3 dB微帶電橋 ，電橋具體結構如圖3所示。

圖3 3 dB定向耦合器電路

本項目的增益設計指標為10 dB，選用的單級晶體管的增益為 19 dB，為了改善駐波和調試的方便，采用 3 dB電橋平衡結構。3 dB電橋作為多口網絡，在射頻、微波電路與系統中應用廣泛，具有插損小，抑制高，帶內波動小，隔離度大等優勢，同時還對射頻輸入信號和輸出信號進行隔離，降低輸入端口和輸出端口的電壓駐波比。1為射頻信號輸入端，2和3端口分別為信號的輸出端，能將一個輸入信號分為兩個互為等幅且具有 90°相位差的信號。本設計輸入端電橋采用兩出一進的模式，多出的 4 端口連接上 50 Ω的負載，輸出端電橋采用兩進一出模式便于功率合成。

輸入和輸出端口的阻抗為50 Ω。同時在匹配電路和放大器的中間需加入隔直電容 100 pF，主要作用是當放大鏈路中放大器級聯或并聯時，各級靜態工作點獨立且不互相干擾，匹配電路中在遠離放大器的地方一般加隔直電容，作為阻抗匹配的一部分，因此在放大器的輸入/輸出匹配電路都需要加入隔直電容。圖 4顯示了單支放大器和平衡式放大器仿真效果圖。輸入輸出反射特性，在工作頻段內的輸出反射系數低于-15dB，輸入輸出反射性能良好。

圖 4 單支放大器和平衡式放大器的仿真效果圖

3 濾波模塊設計原理

經過放大電路以后，頻譜能量已大部分集中在輸出頻率附近，但為了得到更純凈的單一頻率輸出，需要采取措施濾去不需要的旁頻。在微帶電路中，輸出低通濾波器常采用高低特性阻抗段的低通濾波器。濾波器為切比雪夫特性，因此該濾波器的中心頻率為 1.03 GHz，帶內衰減波紋為 1 dB，帶內衰減波紋值為 1dB，帶外 1.65 GHz 衰減應大于20 dB，采用微波仿真軟件 ADS和 HFSS聯合仿真設計，最后得到的低通濾波器的尺寸，如圖 5所示。計算公式如下：

由 于 對 應 于 L r =1 dB，有 L R =6 dB，故 阻 帶 衰減 +L R =(30+6)dB=36 dB，由此查得最少節數為 5。根據帶外衰減陡度的要求選定濾波器的最少階數為 n=5。低通原型濾波器歸一化元件參量值：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。

圖5 低通濾波器原理圖

4 仿真和實測結果分析

由最后的仿真結果，可以得到在所需頻帶內增益大于 18 dB，噪聲系數小于 4.0 dB，輸入和輸出駐波比均小于 2.0，增益平坦度小于 1 dB，基本滿足設計要求。因本放大器內部匹配 50 Ω，因此無需設計匹配電路，但為了更好改善輸入駐波特性，可在放大器的輸出端加入 3 dB衰減電路，犧牲功率來補充輸入駐波，工作頻段內的增益約為 18 dB，輸入和輸出駐波均小于1.8，可滿足實際要求。

5 實物制作與測量

由于制版方的需求，使用微波軟件 ADS 繪制PCB板，并進行實物加工并焊接完成后如圖6所示。

圖 6 平衡式放大器的實測結果

將焊接好的平衡式放大器上電，使用+5.0 V直流電源供電，并記錄電源狀態，電源顯示電壓 5.0 V，電流70.0 mA。平衡式放大器的每個管子靜態工作電壓3.826 V，電流35 mA，放大電路正常工作。實測S參數結果如上圖所示，在所需的工作頻段內的輸入和輸出阻抗匹配良好，增益達到15 dB，大于10 dB，利用噪聲增益測試儀測量出噪聲系數為3.5，而NBB500的噪聲系數為3.2，相差0.3;增益為14.60 dBm，與仿真值相比，實測噪聲系數略大，增益也相對變小了，這是因為實際工程中焊接加工的誤差和測試纜線的損耗，進而影響到整個放大電路的整體性能，但現在實測的結果基本滿足課題所設定的指標需求。由噪聲系數的測量結果中可以得到，整個頻段內的噪聲系數平均約為3.5 dB。

6 結 論

本課題對工作于 L波段平衡式放大器展開了分析和研究，該類型放大器性能穩定，可靠性高。采用微波仿真軟件 ADS和 HFSS聯合對平衡式放大電路進行仿真，在放大模塊的輸入和輸出電路均采用3 dB定向耦合器實現功率的分配和合成，可有效地提高輸入和輸出端口的阻抗匹配情況。在中心頻率1.03 GHz處，由S參數仿真結果可得到增益為19.12 dB。矢網分析儀實測出在中心頻率1.03 GHz的增益為14.97 dB，可能是因 0.5 dB 的線損和 SMA 接頭引入的損耗0.5 dB 以及電容焊接誤差。輸出 P1 dB 壓縮點功率為 12.45 dBm，S11和 S22均小于-12 dB，與仿真結果基本吻合，增益平坦度小于0.2 dB/50 MHz，實測結果與仿真結果基本一致。(參考文獻略)

作者：臧 宏 ，張青春 ，朱良凡 ，趙桂芳 ，朱維瑋

原文標題：L波段平衡式放大器的研究和分析

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審核編輯：湯梓紅