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使用带铁氧体磁珠的新型同轴阻抗变换器设计30-1000MHz 10W GaN HEMT功率放大器

Ivan Boshnakov, Ametek Compliance Test Solutions；Larry Dunleavy and Chris DeMartino, Modelithics Inc.

在设计多倍频程大功率放大器（PA）时，结合使用块状和分布式技术来实现宽带增益和功率匹配是一项挑战。克服这一挑战的方法之一是使用负载线方法结合带有铁氧体磁珠的新型同轴阻抗变换器来设计PA。这种方法依赖于精确的线性和非线性模型作为所有组件的基础。本文重点介绍具有30MHz至1GHz宽带性能的单级10W PA的设计。该设计采用Qorvo QPD1010 GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)。

PA的设计使用了多种软件工具和模型。使用的设计软件是用于射频和微波电路设计的Microwave Office和用于三维电磁有限元法(FEM)分析的Analyst™。这两个程序都包含在Cadence^® AWR Design Environment^®软件工具中。此外，QPD1010晶体管和所有表面贴装无源元件都使用了Modelithics模型。

这种设计要求同轴线与铁氧体磁珠/磁芯阻抗变换器相结合，以便在指定频率范围内通过所选晶体管实现所需的性能。虽然许多放大器的设计都采用了这类变换器，但通常只有那些采用向下阻抗变换的放大器才有文献记载。变换器是使用Analyst 3D电磁分析工具设计的。

设计目标

如前所述，我们的目标是设计一款工作频率为30MHz至1GHz的PA。在AB类偏置条件下，PA必须在此频率范围内提供至少9W的输出功率(Pout)。功率增益(Gp)定义为饱和输出功率时的增益，必须至少达到12.5dB。最后，增益平坦度必须不超过±0.5dB，输入回波损耗必须至少为15dB。表1列出了这些设计目标。

设计过程

固有负载线设计方法

晶体管的I-V曲线显示，最大功率所需的本征阻抗（基频负载线）必须约为100Ω或更大。¹ 图1显示了晶体管的I-V曲线，并以图形方式定义了最佳负载线。

图2所示原理图用于确定在整个工作频率范围内，晶体管输出端阻抗变换大于50Ω的2.25倍所对应的负载线。仿真仅使用基音进行，基音可从原理图中的选项中选择。

之所以能观察到负载线（漏极本征动态阻抗），是因为QPD1010 GaN晶体管的Modelithics模型允许设计人员分析模型内部的电压和电流，特别是跨本征发生器的电压和电流。可访问本征电压和电流的Modelithics晶体管模型如图3所示。

图4显示了仿真图2原理图后得到的I-V曲线和初始负载线结果。在整个带宽范围内，基频负载线都处于性能良好的区域。还可以采用额外的匹配网络，使负载线的色散更加紧密。

同轴变换器

如上所述，相对较新的10W、50V GaN HEMT需要向上阻抗变换，以实现最佳基频负载线。在这种情况下，变换器的阻抗变换比必须为1:2.25。² 在1GHz以下的应用中，采用带有铁氧体磁芯阻抗变换器的同轴线与由无源元件组成的匹配网络相比，在增益平坦度和多倍频程带宽功率方面具有更好的性能。

图5a显示了Microwave Office的同轴线变换器简单模型原理图。该模型显示原理图中包含了适当的电路元素。图5b显示了变换器的全三维模型和Cadence AWR Design Environment中的Analyst仿真器。图6显示了原理图仿真和全三维分析的仿真性能结果。

完整的PA设计

综上所述，图7显示了PA的完整原理图。图8显示了相应的射频布局。图9显示了完整的印刷电路板(PCB)布局。

该PA的匹配/稳定和偏置去耦网络采用了典型的设计技术。图10显示了60°C时的仿真射频S参数和功率增加效率(PAE)。请注意，温度是相对于晶体管封装的底部焊接板而言的。

图11显示了本征发生器带宽内几个频率的I-V曲线和负载线。在这种情况下，只选择基音进行仿真。图12显示了仿真17次谐波后的相同I-V曲线和负载线和AB类偏置晶体管的典型特性。

测试结果

图13显示了仿真和测量的小信号S参数。结果表明，仿真和测量的S参数非常吻合。图14显示了仿真和测量的饱和输出功率（Psat）。测量的Psat比仿真结果低约1dB，表明总体结果良好。最后，图15显示了功率饱和时的仿真增益和测量增益。

请注意，虽然现有的测试装置无法准确测试PAE，但估计PAE略高于40%。图16显示了用于测试PA的原型电路板和组件。

结论

本文展示了使用Qorvo的10W 50V GaN HEMT成功设计的多倍频程带宽PA，其工作频率为30MHz至1GHz。设计中所有元件都使用了Modelithics模型。只有采用带有铁氧体磁珠的同轴线变换器，才能在这一带宽范围内实现良好的性能。这种变换器必须允许向上阻抗变换。据作者所知，本文首次介绍了这种变换器的使用方法。变换器使用Cadence AWR Design Environment中的Analyst 3D FEM EM分析工具进行仿真。设计方法基于内在发生器的负载线仿真。之所以能进行仿真，是因为Modelithics GaN晶体管模型能让设计人员分析本征电压和电流。整个设计是通过Cadence AWR Design Environment中的Microwave Office软件实现的。测试结果证实，该设计方法取得了一次通过的成功。

参考资

1. I. Boshnakov, “A Simulation-Based Design Flow for Broadband GaN Power Amplifier Design,” High Frequency Electronics, March 2016, pp. 22–32.
2. A. Grebennikov, “Power Combiners, Impedance Transformers and Directional Couplers,” High Frequency Electronics, December 2007, pp. 20–38.

表1：功放设计目标

图1：最大功率的近似负载线

图2：整个所需带宽的负载线路示意图。

图3：Modelithics晶体管模型

图4：仿真基频负载线。

图5：(a)同轴线变换器模型。(b)同轴线变换器的三维模型。

图6：同轴变换器的仿真性能结果。

图7：完整的PA原理图

图8：PA的射频布局

图9：PA的PCB装配。

图10：PA的仿真射频性能。

图11：基音固有负载线

图12：复杂固有负载线的描述。

图13：仿真和测量的小信号S参数。

图14：仿真和测量的Psat。

图15：功率饱和时的仿真增益和测量增益。

图16：PA原型测试电路。