寬帶固態功率放大器的設計及實現

孫鳳義　鄭燕　翟冰

摘 要：本文首先提出了寬帶固態功放設計原理，然后重點講敘了電路設計與仿真，最后介紹了測試方法與測試結果。

關鍵詞：固態功率；放大器；設計

中圖分類號：TN722 文獻標識碼：A

目前，電真空器件、半導體器件以及電真空與半導體器件是雷達和電子對抗發射系統中所采用的主要功率器件。與這三件功率器件相比，寬帶固態功率放大器（由寬帶半導體功率器件實現）具有工作電壓低、工作時間長、開機速度快等優越性，因此，它的廣泛使用能夠改善傳統器件在惡劣環境中工作效率低的局限性。與此同時，在雷達技術高速發展的推動下，輸出功率及瞬時帶寬的高要求對于寬帶固態功率放大器來說，也將是一個新的技術瓶頸。除此之外，僅依靠經驗的積累與調試來完成大功率放大器電路設計，并實現輸入輸出的寬帶與電路網絡協調一致，從一定程度上來講，這是不太現實的，因為其不僅會加大設計工作的難度，影響設計效果，而且還會增加設計成本，造成不必要的資源浪費。為了改善這個局面，高效ADS軟件應運而生，該軟件的使用，不僅可以簡化設計與調試步驟，而且可以降低研發成本，提高經濟效益。

本文筆者依據已有的經驗，利用ADS軟件進行寬帶固態功率放大器的設計，首先提出了寬帶固態功放設計原理，然后重點講述了電路設計與仿真，最后介紹了測試方法與測試結果，這對寬帶固態功率放大器的設計研究具有指導意義。

一、寬帶固態功放設計原理

概括地說，選擇的功放設計方案既要考慮到設備小型化、模塊化的實際情況，又要符合既定的技術指標，為了達到這個要求，可考慮國際上的流行做法，即通過MMIC集成電路實現前級的增益，利用分離式結構實現末級所需的高功率。除此之外，為了電路更方便集成，選用目前已經廣泛推廣的微帶結構形式作為電路的基本形式。放大器的具體組成如圖1所示。

更確切地說，選用的放大器要能夠實現增益的目標，且工作頻率要較為適宜，最好能夠實現輸入輸出內匹配，保障放大器前級增益最大化。與此同時，選用的放大器的后級（第二級），也要滿足高輸出功率的要求，并適當在輸入、輸出端加入相應的隔離器，以防止自激與保護功放芯片。

二、電路設計與仿真

1 直流仿真

在功放電路的設計過程中，選擇合適的靜態工作點是最為關鍵的一個環節，因此，采用直流仿真分析被測電路的直流工作點特性是十分有必要的。

2 單級放大器仿真

為了達到最佳的設計效果，在充分考慮電路性能的基礎上，采用分布元件設計電路，并在設計之前，先進行電路初步優化（主要通過集總元件來實現），再進行電路的最終優化（主要通過分布元件來實現）。與此同時，在設計過程中，優先匹配中心頻帶放大器的頻率，再以此為基礎，匹配整個寬帶功率放大器的頻率；為減少帶內幅度波動，實現所需的頻帶，選擇的匹配電路應具有較低的Q值。

3 放大器整體仿真

目前，超寬帶工作的功率器件的輸出功率已難以達到高輸出功率的要求，只有通過平衡式的方式才能沖破這個局限。除此之外，采用平衡式的方式還能保證功放模塊具有低的輸入、輸出駐波系數，節省隔離器，這是因為：輸入、輸出的3dB電橋兩路輸入信號相位相差90度，若其間接入兩路反射型的放大器，那么反射功率就會相互抵消，從而為各個功放模塊之間的連接提供了便利（不需要使用隔離器就能實現）。

三、測試方法

1 版圖設計

版圖設計位于電路圖設計之后。利用ADS版圖中層的定義；并選擇LAYOUT完成版圖的設計。在設計過程中，實際的電路版圖形式可通過原理圖轉化得到（主要通過LAYOUT軟件實現），同時版圖大小、形狀也可通過該軟件來予以設計。

2 測試方法

采用agilent E8257D產生輸入激勵信號，E8257D的輸出信號雜波抑制性及輸出功率與測試要求較為吻合。采用agilent E441SB采集輸出信號，且在輸入到功率計前采用大功率衰減器，以滿足放大器高輸出功率要求。

四、結果分析

測試結果表明，當漏極電流為較低時，功率器件的工作電壓最佳，此時輸出功率，增益及增益平坦度均處于最佳值。從上述測試結果來看，工作電壓高及工作電流小是寬帶功率器件最大的優勢。一般而言，工作電流越小，電源供電帶來的損耗也就越低，因此，減少工作電流，有助于提高電源供電效率，從而使得器件得到大面積的推廣。

結論

上述仿真結果與實際測試結果顯示：在高頻帶各項性能的設計結果與測試結果存在細微差別，這可能與測試過程有關，其他各項性能均能高度吻合。這就說明，在對固態功率放大器進行設計時，采用ADS軟件進行仿真與優化，不僅會減少誤差，而且可以簡化設計步驟，提高設計的效率，因此，ADS軟件將受到微波電路設計師們的喜愛。

參考文獻

[1]蔣擁軍，潘厚忠.S波段超寬帶固態功率放大器的研制[J].微波學報，2005（21）：101-103.

[2]楊國敏，肖高標.射頻低噪聲放大器電路結構設計[J].電子測量技術，2006，29（01）：1-2.