C波段高增益放大器的設計

趙子巖，齊 敏，齊 榕，家建奎

（西北工業大學 陜西 西安 710129）

近年來隨著通訊技術的急速發展，微波單片集成放大電路（MMIC）因其體積小、可靠性高、一致性好[1]等優點，已經越來越多的應用于各種無線通信系統中。MMIC主要應用于通信系統的發射機和接收機中，是各類微波接收系統前端的關鍵電路，故對其的研究也越來越深入。本文通過研究C波段高增益放大器的設計方法，設計了一個二級放大電路，其具有高增益的特點，滿足通信系統的需要。

放大器的設計是相對比較復雜的，并且每種放大器用途不同，其各項指標也是不一樣的。同時，一種放大器的各個指標有時是相互沖突的，因此在設計時一般要折中考慮，各方面都得兼顧。所以，在設計的時候需要考慮所使用的環境和要求，在此基礎上進行相關的設計。

1 電路整體結構的設計

放大電路整體結構圖如圖1所示。

為了得到足夠大的放大效果，整體放大電路采用二級放大的形式，如圖1所示，其主要包括偏置電路、匹配電路等。偏置電路的作用是給放大器提供一個最佳的靜態工作點，使放大器處于一個正常的工作狀態，能夠正常實現放大器的放大功能。同時，為了使信號更好的傳遞給下一級或者輸出，必須在電路中加入匹配電路，另外一個就是它能夠避免因不匹配而造成放大器的損壞，其重要性在放大電路中的作用是至關重要的。

圖1 電路整體結構圖Fig.1 Overall structure diagram of the amplifier circuit

2 偏置電路的設計

偏置電路決定著放大器的工作狀態，合適的偏置電路會使放大器的工作狀態更加穩定。砷化鎵FET是由柵極電壓控制漏極電流的，所以跨導的大小對漏極電流影響是很明顯的，漏極電流越大也更容易產生自激。而大功率器件有很大的柵極外圍和很大的跨導，因此偏置電路設計的好壞直接影響著放大器性能[2]。柵極電阻應盡可能靠近器件的柵極以進行靜電保護和防止自激振蕩。偏置電路和輸入匹配電路是并聯的，在基頻上的阻抗應該是無窮大。由于柵極電流很小，所以第一級l/4波長高阻線的特性阻抗可以取值很高。然而，為了減小柵極電阻的直接并聯對主輸入電路的阻抗的影響，通常將偏置電路作為匹配電路的一部分，表現為一個阻抗為Z=j*Zotanθ（假設損耗很小）和輸入匹配電路并聯[3]。

柵極偏置電路中柵極電阻取值是很重要的，甚至會影響到器件是否能穩定工作。柵極電阻不是柵極偏置電路中直接連接到器件柵極的那個電阻，而是還應該包含其它電阻在內的總的一個等效電阻。如果漏極電路用做匹配電路的一部分，第一節線的長度應小于90度，該電路的阻抗為Z=j*Zotanθ（假設為低損耗），和輸出匹配電路并聯。如果該電路的功能僅是提供偏置，則θ=90°，其特性阻抗為無窮大。在第一節微帶線的末端和地之間，并聯去耦電容和一個電阻串聯電路。這個電路中引入一個有耗元件和去耦電容并聯，以改善放大器的穩定性[4-5]。

3 匹配電路的設計

阻抗匹配網絡的設計是成功設計固態高效功率放大器的關鍵。如果電路匹配不佳，微波功率不能很好地傳送到負載而是反射回來，甚至會產生振蕩，導致晶體管燒毀。輸入匹配網絡是用來實現晶體管輸入端口與信號源之間的匹配，它把晶體管呈現的復數阻抗變換為與信號源阻抗共軛匹配[6]（即50 Ω電阻性的源阻抗），以獲得最大功率增益匹配。輸出匹配網絡用來完成晶體管的輸出端口與負載之間的匹配。

在獲得了功率管大信號參數的基礎上便可進行匹配電路的設計。由于大多數功率放大器都有帶寬的指標要求，因此，匹配電路的設計應能滿足放大器的帶寬要求。典型的寬帶匹配電路形式有：多節并聯導納匹配、漸變線阻抗變換器、四分之一波長多階梯阻抗變換器、變阻濾波器阻抗變換器等。

文中匹配電路的設計主要是采用多節并聯導納匹配法，多節并聯導納匹配法的設計思路如下：首先，測出晶體管在不同工作頻率上的導納值，再將測得的這些導納值都描述在導納圓圖上；其次按頻率順序由低至高，將導納值連成一條曲線。設計時根據此曲線形狀選用多個并聯電納，從不同位置接入，以在寬頻帶內實現共軛匹配。

寬頻帶的共軛匹配一般通過Smith圓圖法，如圖2所示，晶體管在中心頻率點導納值為M，高頻端導納值為S，低頻端導納值為L。從弧線LMS，我們可以看出，若先接入微帶線，讓導納曲線直接向信號源方向轉，則L點更落后于S點，起不了壓縮作用。因此，我們可在晶體管的輸入端（或輸出端）并接一容性電納，使導納曲線沿等電導圓往右移動，弧線LMS從A區轉到B區，這時頻帶內，高、低端導納值相對變化不同，如圖中所示。這時再使L、M、S各點沿各自的等駐波系數圓向信號源方向移動到電導的單位圓附近。然后，并接一個感性電納，就可將導納值曲線移到圓圖的1+i*0點附近達到匹配[7-8]。

圖2 多節并聯導納匹配原理圖Fig.2 Multiple parallel admittances matching

4 仿真與實際測量分析

在做實物之前，本電路運用了ADS軟件進行了仿真。為了使整個電路達到預期的效果，在此之前對放大器的匹配電路和偏置電路進行了仿真計算，計算出了各個微帶線的尺寸。仿真電路圖如圖3所示。

仿真結果如圖4所示。

在實測時主要測量了電路的增益，實測結果如圖5所示。

通過仿真結果和實測結果可知，C波段高增益單片功率放大器的設計增益為15 dB，而實際單片電路增益的測試結果略小于15 dB，對比圖5中曲線，可以看出測試結果與放大器的設計增益比較吻合。

5 結 論

文中采用GaAs基InGaP HBT MMIC工藝制作了C波段高增益功率單片放大器。在本單片電路設計中，著重考慮放大電路的增益。經過實際測試，測量了電路的放大指標，對比測試結果和仿真結果來看，增益系數的測試值和仿真值相差不到6%，達到了設計要求。

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圖3 仿真原理圖Fig.3 Simulation diagram

圖4 仿真結果Fig.4 Simulation result

圖5 實測結果Fig.5 The measured results

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