宽带阻抗变换器的PHEMT分布式功率放大器

介绍一个采用宽带阻抗变换器的非均匀漏线分布式功率放大器（DPA）。DPA基于GaAs PHEMT工艺。阻抗变换器利用非常对称耦合线，将放大器的低输出阻抗变换到标准的50Ω传输线。在频率范围从10到1800 MHz，放大器输出功率约为600 mW，关联增益为9 dB，功率附加效率（PAE）大于30%。

分布式功率放大器（DPA）在宽带宽范围具有平坦增益、线性相位响应、以及低回波损耗为人们所共知。然而，通常的DPA的功率附加效率（PAE）一般不超 过20%。漏极电流分成两个分支，波向输出负载和虚终端传播，这是造成退化的主要原因。一些研究小组已经针对DPA的低效率问题和受限的输出功率进行研 究，提出了解决这些局限性的办法。为增加DPA的效率，每个晶体管的漏极电流必须加入到负载端口。通过这个方法，可以缓解漏极虚端口的影响。另一种对于非 均匀DPA的设计方法，对每个器件利用优化的载荷使功率和效率最大化。K. Krishnamurthy等人描述了一个没有输出合成的传输线，这里在共源和共栅器件间采用阻抗匹配部件来提供延迟平衡。

本文论述一种可选择的设计方法，方法基于虚拟阻抗分析，考虑多电流源，采用一个耦合线的阻抗变换。描述的方法使效率增加至软件定义的无线电（SDR）驱动PA应用的水平。

设计方法

图1 简化的采用非均匀漏线的四段DPA。

在图1所示的DPA拓扑中，每个器件对放大器的总输出阻抗有贡献。选择负载阻抗的值R使在具有非均匀漏线的四部分PHEMT DPA需要的频率范围内有最佳功率性能。一个m驱动部分在栅线的两端实现。每个器件供电为5 V，每个栅的偏置电压为0.44 V，这使有源器件在AB类工作。通过采用非均匀栅线设计和选择输出负责R等于12.5欧姆来实现在栅和漏线之间必要的相位速度同步。

为了在宽的工作频率范围将整个电路匹配到标准的50欧姆负载，采用具有1:4转换比的宽带阻抗变换来实现。在这个设计中采用的阻抗变换器是基于如图2所示 的非对称、均匀耦合线。耦合线的尺寸为l=42.14 mm、w1=0.53 mm、w2=1.57 mm、w3=1.21 mm、w4=1.5 mm。与传统的多个四分之一波长传输线相比，耦合传输线具有更大的自由度、更紧凑的优点。传统上，耦合和通过端口是短路或开路的，从带宽的角度考虑这不是 一个最佳选择。当在耦合和直通端口用阶梯阻抗传输线加负载，变换器的工作带宽能有很大的增加。在这种情况下，采用的结构是四分之一波长长。与传统的四分之 一波长变换器相比，这提供三倍的工作频率范围。

宽带阻抗变换器的性能通过全波三维仿真进行检验。输入（端口1）端接12.5 Ω线，端口3连接50ΩSMA连接器。在实际测量中，因为端口1将与50ΩSMA连接器相连，连接器的双端口S参数数据为了得到精确结果必须进行去嵌。在 整个工作带宽，测量的插入损耗小于1.5 dB。

选择一个中功率的PHEMT器件（Avago公司的ATF511P8）实现功率放大器。器件的漏端负载效应可以忽略，然而，它的输出阻抗的电抗部分 （Xopt（w））在定义漏线截止频率fc中起重要的作用。提取输出电容值Copt（包括封装寄生）结果为4 pF。放大器的截止频率可用下式估计：

因此，可以选择漏端电感的值L_di（这里i=1…4），达到大约2GHz的f_c。忽略虚漏极端口，改善总效率。

测量结果

为了从实验上验证具有宽带阻抗变换的高效率DPA概念，用Rogers三层印刷电路板（PCB）材料制作了原型电路，材料的相对介电常数er=3.66厚 度=0.762 mm。为达到稳定的目的，每个部分的串联栅电阻Rg(k)=5Ω。最上层用于集中原件以及RF和DC走线。图3为制作的DPA板的照片。DPA的有效尺寸 是24×74 mm。

测量的大信号DPA特性如图4所示。输出功率~600 mW，增益为9 dB，PAE超过30%。仿真和测量结果符合很好。这证明在低频率下PAE大于38%。在整个工作带宽效率超过30%。显然测试结果证实得到高效率的想 法。然而，在更高频率工作的DPA的性能可以通过变换器的优化进一步提高。

变换器概念是为与DPA的集成选择性的解决办法。另一方面，采用GaN HEMT，实现了从100到1800 MHz高功率特性，这适合于SDR应用的高输出功率水平。

结论

本文给出了采用非均匀漏线的DPA。选择的结构表明与传统的设计相比在效率方面特性得到了提高。放大器的效率和输出功率通过减小输出阻抗值得到进一步提 高。放大器的输出阻抗用基于耦合传输线的紧凑、宽带分布式阻抗变换器转换为标准的50欧姆端口。提出的方法可以在宽的频率范围增加DPA的效率到一般大于 30%。电路结果展示了适合于SDR DPA驱动应用的功率特性。

图2 紧凑的阻抗变换器(a) 电路示意图，（b）微带线实现。

输入 阻抗段 耦合线 输出 空气桥

图3 高效率DPA原型板照片。

图4 随频率变换的DPA的测量（点线）和仿真（实线）结果。