1 引言
随着3G无线通信和军事领域新标准新技术的迅速发展，对于作为微波通信系统、雷达、电子对抗、宽带频率调制发射机、数字电视发射机等系统核心部件的功率放大器来说，对带宽、输出功率、线性度、效率和可靠性方面提出了更高的要求。为了迎接这些挑战，近50年来人们不断从微波器件和微波技术方面推动微波功率放大器的飞快发展。日前3.5 GHz波段的WiMAX基站RF LDMOS功率晶体管问世，宣告LDMOS功率放大器已经在微波功率放大器领域占据了主导位置。
LDMOS（Lateral Double diffusion MOS）采用双扩散技术，在同一窗口相继进行硼磷两次扩散，由两次杂质扩散横向结深之差可精确地决定沟道长度。沟道长度L可以做得很小并且不受光刻精度的限制。由于LDMOS的短沟，故跨导、漏极电流、最高工作频率和速度都比一般MOSFET有了很大的提高；在射频应用方面，LDMOS有着更好的线性度、较大的线性增益、高的效率和较低的交叉调制失真[1～2]。由于LDMOS有着这么多优异性能使LDMOS特别适合在新一代移动通信系统基站中作为功率放大器[3]。
2 功率放大器（PA）分析与设计
2.1 负载牵引法
由于厂家设计的MRF18030 LDMOS是工作在1800 MHz～1880 MHz输出为30 W器件。而本次设计的中心频率是1.6 GHz，所以厂家给出的频率范围为1710 MHz～2110 MHz的参数不能用来作为本次设计时候的最佳源阻抗和负载阻抗。本文运用了负载牵引法来得到其在1.6 GHz时候的源阻抗和负载阻抗值。
为了使功率固态器件在最佳状态下工作，并充分发挥其潜力，对其负载牵引特性进行测量是必需的。通过测量可获得具有重要参考价值的功率等值线阻抗圆图，从而为大功率微波电路的设计提供参考。国内外对这一方面的研究工作很多[4] 。负载牵引法，其原理就是，就是放大器在大信号电平激励下， 通过连续变换负载测试输出功率，然后在SMITH阻抗圆图上画出等功率和等增益曲线。这样就可以选择适当的输出阻抗准确地设计功率放大器，达到所需的增益和输出功率。同时，应用多谐波负载牵引技术可以用于非线性微波电路设计的实际应用。使用多谐波负载牵引的系统方案揭示了每一谐波对电路性能的影响，并找到每一谐波的最佳负载。经过这种系统设计过程后，电路的性能将显著提高。这种方案为非线性微波电路的设计提供了一种有效的手段。
本文中用Agilent ADS 仿真软件实现负载牵引测试来完成MRF18030在1.6 GHz时的源阻抗和负载阻抗的测试。图1为综合考虑输出功率和效率得到的最佳负载阻抗值ZL＝2.004－j12.094。同样的原理可以得到ZS=1.939-j7.802。下面我们就可以用得到的ZS和ZL来进行匹配网络的设计。
2.2 稳定性设计
在确定最佳输入输出阻抗后，进行匹配之前，我们需要对功率放大器进行稳定性分析和设计。放大器的稳定性，是放大器设计中需要考虑的非常重要的因素，它一般取决于晶体管的S 参数和置端条件。功率放大器稳定性可以根据稳定因子来判定，计算公式如下：
＞1 和 ＞0（图中的B1）或者满足下列公式[5] ： 和 ，功率放大器是绝对稳定的。（图中mu_load为mu的曲线，mu_source为mu_prime的曲线）。如果不稳定即在输入或输出端口出现负阻时，就可能发生振荡，则需要采用在输入或者输出端串联或并联或负反馈的方法是晶体管稳定。本次设计中，功率放大器MRF18030的稳定因子如图2所示，可见在设计频率范围内是绝对稳定的。
2.3 匹配网络设计
为了向负载传送最大功率或者使微波电路系统或使传输系统处于或者接近行波状态，需要用匹配网络。匹配网络对于放大器的驻波比、功率增益、输出功率等性能指标都有着决定性的制约[6]。
功率放大器的设计与小信号放大器的设计不同，其设计要复杂的多，小信号放大器的设计一般不考虑输出功率，而主要考虑增益和稳定性，在保证稳定的前提下，按最大增益设计，而如果按照常规的小信号S参数法，采用最大增益来设计功率放大器时，输出功率基本很小，甚至起衰减，因此设计功率放大器完全不同于小信号放大器的设计，其输出电路首先要满足高的效率和足够的饱和输出功率，要在输出功率和增益之间取一合适值，将同时满足功率输出和增益要求的输出负载作为功率管的输出阻抗精心设计。
在 和 共轭匹配的条件下，得到最大传输功率。因此把ZIN=1.939+j7.802和ZOUT＝2.004+j12.094作为功率晶体管得最佳输入输出阻抗值来进行设计，得到得输入输出匹配拓扑如图3、4所示。其中，微带线的衬底材料选用的是ROGERS公司生产的RO4350B具体的参数如下：其衬底厚度为h=0.76mm，相对介电常数εr为3.48。
2.4 偏置电路的设计
为确保功率放大器的工作状态，必须设计相应的偏置电路，从而把直流或控制电压通过偏置电路加在晶体管各电极上。然而，偏置电路对功率放大电路有着重要的影响。偏置电路的设置不同，将影响功率放大器的最佳匹配负载，效率等参数。在高频段偏置电路对功率放大器的匹配网络的影响较大，应作为匹配电路的一部分来考虑。设计时必须使其对射频主电路的微波特性影响尽可能小，即不应引入大的附加损耗、反射以及高频能量沿偏压电路的漏泄等[7]。加上偏置电路得到完整的电路。
进行仿真的结果如图5、6所示：
图5为VDS=26V，VGS=3.8V偏置，输入功率为30dBm，频率扫描范围为1500 MHz～1700 MHz下的输出功率、功率增益、PAE曲线。从图中可知，在上述条件下，该电路的功率增益在1580 MHz～1650 MHz频率范围内，增益保持在14dB以上。最大输出功率可达到44.93dBm，PAE最大可以达到50％。
图6为VDS=26V，VGS=3.8V偏置，中心频率1600 MHz，输入功率扫描范围为10 dBm～40dBm下的输出功率、功率增益、PAE曲线。从图可知，在1dB点的输入功率为30dBm时，P-1为44.93dBm，对于的增益为15dB，PAE为50％，可见各项性能指标都是很理想。
最后根据设计的电路图，得到了PA的版图，并且用ADS中的2.5D仿真工具MOMENTUM（矩量法）对版图元件进行了电磁仿真结果如图7所示，可以看出原理图的结果和版图的结果非常吻合，说明PA的匹配设计是准确的。
3 结论
本文在大信号S参数无法获得而且厂家提供的参数又不适合时，通过负载牵引法得到了在绝对稳定情况下输入和输出阻抗，进行共轭匹配，成功设计出LDMOS微波功率放大器。其性能参数为：在1dB点的输入功率为30dBm时，P-1为44.93dBm，对应的增益为15dB，PAE为50％，功率增益在1580 MHz～1650 MHz频率范围内，增益保持在14dB以上。最后得到了最终的版图并且对版图和原理图的S参数输出结果进行比较，证明设计过程是准确的。为下一步的研究工作以及该微波功率放大器的应用打下了坚实的基础。
参考文献：
[1]Mark P， John R. Gajadharsing, and Joachim N. Burghartz. Theory and Design of an Ultra-Linear Square-Law Approximated LDMOS Power Amplifier in Class-AB Operation. IEEE Transaction on Microwave Theory and Techiques,2002,50(9):2176
[2]王云飞，王家礼等，自适应前馈微波超线性功率放大器算法研究。西安电子科技大学学报（自然科学版）2002，31（6）：948－951.
[3] Younkyu Chung, Jinseong Jeong, Power Level-Dependent Dual-Operating Mode LDMOS Power Amplifier for CDMA Wireless Base-Station Applications, IEEE Transaction on Microwave Theory and Techiques,2002,53(2):2176 [4]
[4] Pisani U , et al . A Unified Calibration Algorithm for Scattering and Load-Pull Measurement [A] . IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference [C] . New York : IEEE , 1996 , 1250 - 1253.
[5] M.L. Edwards and J.H. Sinsky. "A new criterion for linear 2-port stability using a single geometrically derived parameter," IEEE Transactions on Microwave Theory and Tech, 199240(12): 2303-2311
[6] Guillermo Gonzalez 著，白晓东 译，《Microwave Transistor Amplifiers Analysis and Design》，清华大学出版社，2003年
[7]程书田.。一种新型宽带微波有源网络偏置电路设计. 电波科学学报，1998,13(4):438-441 |