一种使用MESFET管芯的功率放大器的设计

李俊生， 唐　健， 王晓亮

(1.盐城师范学院 物理科学与电子技术学院， 江苏　盐城　224002；

2.中国科学院 半导体研究所 半导体材料科学重点实验室， 北京　100083)



一种使用MESFET管芯的功率放大器的设计

李俊生1， 唐健1， 王晓亮2

(1.盐城师范学院 物理科学与电子技术学院， 江苏盐城224002；

2.中国科学院 半导体研究所 半导体材料科学重点实验室， 北京100083)

摘要：笔者使用MESFET管芯，利用ADS软件对其进行了仿真优化，用小信号S参数法进行设计，并研制出一种线性功率放大器，该放大器采用Excelics公司low distortion Power FET EFC480C作为管芯，尺寸为15mm×20mm，在2.7GHz～3.1GHz频带内增益≥11dB，输出功率P(sat)≥30dBm，功率起伏≤1dB；输入输出驻波比≤2，达到了较好的性能。不仅比管壳封装器件体积小，而且可以消除封装参数的有害影响。

关键词：功率放大器；S参数法；负载线法；MESFET管芯

0引言

使用MESFET管芯设计制作微波混合集成电路，不仅比管壳封装器件体积小，而且可以消除封装参数的有害影响。

甲类放大器线性相对较好，通常用器件的静态IV曲线来确定大信号负载线阻抗(RL)，然后用小信号S参数方法设计甲类放大器[1]。基本步骤是：选择管芯，确定静态工作点，确定最佳输出负载阻抗，设计输出匹配电路，根据输出电路映射到输入平面设计输入匹配网络。

1电路设计与分析

1.1功率放大器的指标

功率放大器的指标如下：工作频率为2.7GHz～3.1GHz；增益≥11dB；输出功率P(sat)≥30dBm；功率起伏≤1dB；输入输出驻波比≤2；尺寸为15mm×20mm。

1.2选择管芯

首先是选择管芯[2]，砷化钾芯片通常要用金锡合金焊接在载体上，为此芯片背面要金属化，上面接点要与热压焊工艺兼容。笔者根据设计目标，选用一种GaAs FET管芯，Excelics公司low distortion Power FET EFC480C，栅宽为4.8mm。典型工作状态Vds=8V，Ids=500mA；2GHz增益18dB；1dB功率[3]压缩点为32dBm。该管芯的源极没有通孔接地，需要将源极通过金丝键合与地连接。

1.3确定静态工作点与负载阻抗

根据放大器[4,5]工作的类型确定静态工作点。根据线性功放的要求，管子偏置在甲类，静态漏极电流Id为饱和漏极电流Idss的一半左右，管子漏极偏置电压Vd为8V，栅极偏压Vg为-1V左右，实际工作时可根据实际情况对静态工作点做进一步的调整。

利用负载线法确定负载阻抗，根据要求计算管子的输出负载阻抗线，从而确定最佳输出阻抗实部。负载线公式为RL=(Vb-Vs)2/(2Pout)，其中Vb为漏极偏置电压，Vs为管子V-I曲线的拐点电压。EFC480CVs=2V，设计Pout为1.5W，求出RL=12Ω。

应当注意：GaAs MESFET器件的偏置电压和最大输出功率的确定关键参数是击穿电压。如果负载电阻过大，RF输出电压过大，就容易击穿。所以，应当判断输出电压是否会进入击穿区，应当有2Vb-Vs

图1　小信号等效电路

由于MESFET的受控源两端间的负载阻抗为实数时，才能得到最大的输出功率，所以输出匹配电路提供的负载阻抗的虚部应与MESFET的漏源电容Cds谐振。在进行匹配网络设计时，将输出阻抗的虚部吸收到匹配网络中进行综合。Cds可以根据小信号等效电路和管子的S参数进行拟合的方法来确定。根据Excelics提供的S参数，使用ADS仿真软件拟合MESFET小信号等效电路的元件值，提取小信号等效电路的电路如图1所示。

拟合出的Cds=0.72pF。负载的电纳应与Cds谐振，所以，负载导纳估值为：YL=GL-jωCds，其中GL=1/RL=0.083s,可得YL=0.083-0.014×j。负载阻抗为ZL=1/YL=11.85+2.02×j。

估算输出功率：由于和电流源并联的负载阻抗为实数，因此漏电压的交流部分和负载电流是同相的，其输出功率为：PL=(1/4)(Vb-Vs)Imax=1.5W。

1.4电路设计与仿真

偏置电路：使用四分之一波长细微带线提供偏压，偏压线终端使用谐振电容实现射频接地，采用电感隔离射频信号，大小电容滤除射频信号及电源纹波。

图2　输出匹配电路图

设计输出匹配电路：输出匹配电路很大程度上决定了最大输出功率和电源效率，要求输出匹配电路对管芯提供以上计算的负载阻抗。笔者采用简单实用的L型低通匹配电路来实现阻抗变换。

在文献[1]中，提到一些L/S波段放大器的实践表明对二次谐波优化端接(短路)能使效率提高6个百分点。设计中对输出匹配网络做宽带频率扫描，综合使用终端射频接地的四分之一波长偏压线对二次谐波形成一定的抑制，使输出电路对二次谐波保持较大的衰减，尽可能形成短路点。注意仿真时应将漏极压焊的金丝计入匹配电路。使用ADS优化电路，取得合适的电路参数。拓扑结构如图2所示。

设计输入匹配电路：输入匹配电路的设计要求是提供输入端阻抗匹配和确保稳定性，保证设计的带宽。笔者选用一种π型匹配电路，根据输出电路映射到输入平面，使用共扼匹配设计输入匹配网络，使用并联电阻提高稳定性，使用ADS优化增益、驻波、带宽和稳定性，得到合适的输入匹配网络。输入匹配电路图如图3所示，最终电路拓扑结构图如图4所示。

图3　输入匹配电路图

图4最终电路拓扑结构图

使用ADS仿真电路的稳定性，如图5所示，k始终大于1，可知电路绝对稳定。

用ADS进行S参数仿真得出结果如图6所示：在2.7GHz到3.1GHz内，增益大于14dB，输入输出驻波均小于2。

图5　电路稳定系数图

图6小信号频率响应图

2功率放大器的制作、测试与结论

选用Rogers4003微带板，厚度为0.5mm，介电常数3.38。管芯使用金锡共晶焊焊在钼片载体上，钼做载体的热膨胀系数与砷化钾相近。还应当注意芯片与载体要形成良好的合金型结合，否则会影响性能。用热压焊的方法，金丝键合连接芯片电极与微带，注意金丝参数应与仿真时一致。

制成后，如图7所示，使用铜箔调试电路，经过调试，最后测试的结果：小信号频率响应：在2.7GHz～3.1GHz的频率范围内，增益大于11dB，输入输出驻波均小于1.5。

图7　功率放大器的实物图　　　　　图8　S参数图

表1为测试参数，可以看出输出功率大于1W，功率附加效率23%，该功率放大器性能满足指标要求。

表1　测试参数

参考文献：

[1] 崔浩，汪蕾，胡文宽，等.L频段20W固态功率放大器研制[J].空间电子术，2013(01):108-110.

[2] 江兴.科锐推出新型S波段GaN晶体管器件[J].半导体信息，2012(04):5- 6.

[3] 吴琪乐.科锐推出S波段GaN器件,实现雷达应用的效率最大化[J].半导体信息,2012(05):17.

[4] 科锐展示业界首款用于卫星通信的C波段GaN HEMT单片式微波集成电路(MMIC)高功率放大器[J].电子技术应用,2011(07):114.

[5] 李吉浩.基于SiC三代半导体技术的T/R组件功率放大电路设计[J].微波学报,2010(S1):564-567.

[责任编辑：王敏]

Design of a Power Amplifier Using MESFET Tube Core

LIJun-sheng1,TANGJian1,WANGXiao-liang2

(1.SchoolofPhysicsandElectronics,YanchengTeachersUniversity,Yancheng224002,China;2.KeyLaboratoryofSemiconductorMaterialsScience,InstituteofSemiconductors,ChineseAcademyofSciences,Beijing100083,China)

Abstract:The MESFET tube core is used, and is simulated and optimized by the application of the ADS software, using the small signal S parameter method to design, and developing a linear power amplifier. The amplifier takes the low distortion Power FET EFC480C of Excelics company as the tube core, the size is 15mm×20mm, in the 2.7GHz～3.1GHz band, the gain is greater than or equal to 11dB, the output power P(sat)is greater than or equal to 30dBm, the power fluctuation is less than or equal to 1dB; the input and output in VSWR is less than or equal to 2, and a good performance is achieved. Not only its volume is smaller than the shell and tube packaging device, but also it can eliminate the harmful effects of package parameters.

Key words:power amplifier; S parameter method; load line method; MESFET tube core

中图分类号：TN72

文献标识码：A

文章编号：1672-9706(2016)01- 0119- 04

作者简介：李俊生(1983-)，男，江苏盐城人，盐城师范学院，讲师，主要从事T/R组件和微波电路设计的研究。E-mail：junsheng_li@163.com

基金项目：江苏省高校自然科学研究基金资助项目(项目编号：13KJB510037)。

收稿日期：2015- 09-15