C波段高增益放大器的设计

赵子岩，齐 敏，齐 榕，家建奎

（西北工业大学 陕西 西安 710129）

近年来随着通讯技术的急速发展，微波单片集成放大电路（MMIC）因其体积小、可靠性高、一致性好[1]等优点，已经越来越多的应用于各种无线通信系统中。MMIC主要应用于通信系统的发射机和接收机中，是各类微波接收系统前端的关键电路，故对其的研究也越来越深入。本文通过研究C波段高增益放大器的设计方法，设计了一个二级放大电路，其具有高增益的特点，满足通信系统的需要。

放大器的设计是相对比较复杂的，并且每种放大器用途不同，其各项指标也是不一样的。同时，一种放大器的各个指标有时是相互冲突的，因此在设计时一般要折中考虑，各方面都得兼顾。所以，在设计的时候需要考虑所使用的环境和要求，在此基础上进行相关的设计。

1 电路整体结构的设计

放大电路整体结构图如图1所示。

为了得到足够大的放大效果，整体放大电路采用二级放大的形式，如图1所示，其主要包括偏置电路、匹配电路等。偏置电路的作用是给放大器提供一个最佳的静态工作点，使放大器处于一个正常的工作状态，能够正常实现放大器的放大功能。同时，为了使信号更好的传递给下一级或者输出，必须在电路中加入匹配电路，另外一个就是它能够避免因不匹配而造成放大器的损坏，其重要性在放大电路中的作用是至关重要的。

图1 电路整体结构图Fig.1 Overall structure diagram of the amplifier circuit

2 偏置电路的设计

偏置电路决定着放大器的工作状态，合适的偏置电路会使放大器的工作状态更加稳定。砷化镓FET是由栅极电压控制漏极电流的，所以跨导的大小对漏极电流影响是很明显的，漏极电流越大也更容易产生自激。而大功率器件有很大的栅极外围和很大的跨导，因此偏置电路设计的好坏直接影响着放大器性能[2]。栅极电阻应尽可能靠近器件的栅极以进行静电保护和防止自激振荡。偏置电路和输入匹配电路是并联的，在基频上的阻抗应该是无穷大。由于栅极电流很小，所以第一级l/4波长高阻线的特性阻抗可以取值很高。然而，为了减小栅极电阻的直接并联对主输入电路的阻抗的影响，通常将偏置电路作为匹配电路的一部分，表现为一个阻抗为Z=j*Zotanθ（假设损耗很小）和输入匹配电路并联[3]。

栅极偏置电路中栅极电阻取值是很重要的，甚至会影响到器件是否能稳定工作。栅极电阻不是栅极偏置电路中直接连接到器件栅极的那个电阻，而是还应该包含其它电阻在内的总的一个等效电阻。如果漏极电路用做匹配电路的一部分，第一节线的长度应小于90度，该电路的阻抗为Z=j*Zotanθ（假设为低损耗），和输出匹配电路并联。如果该电路的功能仅是提供偏置，则θ=90°，其特性阻抗为无穷大。在第一节微带线的末端和地之间，并联去耦电容和一个电阻串联电路。这个电路中引入一个有耗元件和去耦电容并联，以改善放大器的稳定性[4-5]。

3 匹配电路的设计

阻抗匹配网络的设计是成功设计固态高效功率放大器的关键。如果电路匹配不佳，微波功率不能很好地传送到负载而是反射回来，甚至会产生振荡，导致晶体管烧毁。输入匹配网络是用来实现晶体管输入端口与信号源之间的匹配，它把晶体管呈现的复数阻抗变换为与信号源阻抗共轭匹配[6]（即50 Ω电阻性的源阻抗），以获得最大功率增益匹配。输出匹配网络用来完成晶体管的输出端口与负载之间的匹配。

在获得了功率管大信号参数的基础上便可进行匹配电路的设计。由于大多数功率放大器都有带宽的指标要求，因此，匹配电路的设计应能满足放大器的带宽要求。典型的宽带匹配电路形式有：多节并联导纳匹配、渐变线阻抗变换器、四分之一波长多阶梯阻抗变换器、变阻滤波器阻抗变换器等。

文中匹配电路的设计主要是采用多节并联导纳匹配法，多节并联导纳匹配法的设计思路如下：首先，测出晶体管在不同工作频率上的导纳值，再将测得的这些导纳值都描述在导纳圆图上；其次按频率顺序由低至高，将导纳值连成一条曲线。设计时根据此曲线形状选用多个并联电纳，从不同位置接入，以在宽频带内实现共轭匹配。

宽频带的共轭匹配一般通过Smith圆图法，如图2所示，晶体管在中心频率点导纳值为M，高频端导纳值为S，低频端导纳值为L。从弧线LMS，我们可以看出，若先接入微带线，让导纳曲线直接向信号源方向转，则L点更落后于S点，起不了压缩作用。因此，我们可在晶体管的输入端（或输出端）并接一容性电纳，使导纳曲线沿等电导圆往右移动，弧线LMS从A区转到B区，这时频带内，高、低端导纳值相对变化不同，如图中所示。这时再使L、M、S各点沿各自的等驻波系数圆向信号源方向移动到电导的单位圆附近。然后，并接一个感性电纳，就可将导纳值曲线移到圆图的1+i*0点附近达到匹配[7-8]。

图2 多节并联导纳匹配原理图Fig.2 Multiple parallel admittances matching

4 仿真与实际测量分析

在做实物之前，本电路运用了ADS软件进行了仿真。为了使整个电路达到预期的效果，在此之前对放大器的匹配电路和偏置电路进行了仿真计算，计算出了各个微带线的尺寸。仿真电路图如图3所示。

仿真结果如图4所示。

在实测时主要测量了电路的增益，实测结果如图5所示。

通过仿真结果和实测结果可知，C波段高增益单片功率放大器的设计增益为15 dB，而实际单片电路增益的测试结果略小于15 dB，对比图5中曲线，可以看出测试结果与放大器的设计增益比较吻合。

5 结 论

文中采用GaAs基InGaP HBT MMIC工艺制作了C波段高增益功率单片放大器。在本单片电路设计中，着重考虑放大电路的增益。经过实际测试，测量了电路的放大指标，对比测试结果和仿真结果来看，增益系数的测试值和仿真值相差不到6%，达到了设计要求。

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图3 仿真原理图Fig.3 Simulation diagram

图4 仿真结果Fig.4 Simulation result

图5 实测结果Fig.5 The measured results

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