宽带固态功率放大器的设计及实现

孙凤义　郑燕　翟冰

摘 要：本文首先提出了宽带固态功放设计原理，然后重点讲叙了电路设计与仿真，最后介绍了测试方法与测试结果。

关键词：固态功率；放大器；设计

中图分类号：TN722 文獻标识码：A

目前，电真空器件、半导体器件以及电真空与半导体器件是雷达和电子对抗发射系统中所采用的主要功率器件。与这三件功率器件相比，宽带固态功率放大器（由宽带半导体功率器件实现）具有工作电压低、工作时间长、开机速度快等优越性，因此，它的广泛使用能够改善传统器件在恶劣环境中工作效率低的局限性。与此同时，在雷达技术高速发展的推动下，输出功率及瞬时带宽的高要求对于宽带固态功率放大器来说，也将是一个新的技术瓶颈。除此之外，仅依靠经验的积累与调试来完成大功率放大器电路设计，并实现输入输出的宽带与电路网络协调一致，从一定程度上来讲，这是不太现实的，因为其不仅会加大设计工作的难度，影响设计效果，而且还会增加设计成本，造成不必要的资源浪费。为了改善这个局面，高效ADS软件应运而生，该软件的使用，不仅可以简化设计与调试步骤，而且可以降低研发成本，提高经济效益。

本文笔者依据已有的经验，利用ADS软件进行宽带固态功率放大器的设计，首先提出了宽带固态功放设计原理，然后重点讲述了电路设计与仿真，最后介绍了测试方法与测试结果，这对宽带固态功率放大器的设计研究具有指导意义。

一、宽带固态功放设计原理

概括地说，选择的功放设计方案既要考虑到设备小型化、模块化的实际情况，又要符合既定的技术指标，为了达到这个要求，可考虑国际上的流行做法，即通过MMIC集成电路实现前级的增益，利用分离式结构实现末级所需的高功率。除此之外，为了电路更方便集成，选用目前已经广泛推广的微带结构形式作为电路的基本形式。放大器的具体组成如图1所示。

更确切地说，选用的放大器要能够实现增益的目标，且工作频率要较为适宜，最好能够实现输入输出内匹配，保障放大器前级增益最大化。与此同时，选用的放大器的后级（第二级），也要满足高输出功率的要求，并适当在输入、输出端加入相应的隔离器，以防止自激与保护功放芯片。

二、电路设计与仿真

1 直流仿真

在功放电路的设计过程中，选择合适的静态工作点是最为关键的一个环节，因此，采用直流仿真分析被测电路的直流工作点特性是十分有必要的。

2 单级放大器仿真

为了达到最佳的设计效果，在充分考虑电路性能的基础上，采用分布元件设计电路，并在设计之前，先进行电路初步优化（主要通过集总元件来实现），再进行电路的最终优化（主要通过分布元件来实现）。与此同时，在设计过程中，优先匹配中心频带放大器的频率，再以此为基础，匹配整个宽带功率放大器的频率；为减少带内幅度波动，实现所需的频带，选择的匹配电路应具有较低的Q值。

3 放大器整体仿真

目前，超宽带工作的功率器件的输出功率已难以达到高输出功率的要求，只有通过平衡式的方式才能冲破这个局限。除此之外，采用平衡式的方式还能保证功放模块具有低的输入、输出驻波系数，节省隔离器，这是因为：输入、输出的3dB电桥两路输入信号相位相差90度，若其间接入两路反射型的放大器，那么反射功率就会相互抵消，从而为各个功放模块之间的连接提供了便利（不需要使用隔离器就能实现）。

三、测试方法

1 版图设计

版图设计位于电路图设计之后。利用ADS版图中层的定义；并选择LAYOUT完成版图的设计。在设计过程中，实际的电路版图形式可通过原理图转化得到（主要通过LAYOUT软件实现），同时版图大小、形状也可通过该软件来予以设计。

2 测试方法

采用agilent E8257D产生输入激励信号，E8257D的输出信号杂波抑制性及输出功率与测试要求较为吻合。采用agilent E441SB采集输出信号，且在输入到功率计前采用大功率衰减器，以满足放大器高输出功率要求。

四、结果分析

测试结果表明，当漏极电流为较低时，功率器件的工作电压最佳，此时输出功率，增益及增益平坦度均处于最佳值。从上述测试结果来看，工作电压高及工作电流小是宽带功率器件最大的优势。一般而言，工作电流越小，电源供电带来的损耗也就越低，因此，减少工作电流，有助于提高电源供电效率，从而使得器件得到大面积的推广。

结论

上述仿真结果与实际测试结果显示：在高频带各项性能的设计结果与测试结果存在细微差别，这可能与测试过程有关，其他各项性能均能高度吻合。这就说明，在对固态功率放大器进行设计时，采用ADS软件进行仿真与优化，不仅会减少误差，而且可以简化设计步骤，提高设计的效率，因此，ADS软件将受到微波电路设计师们的喜爱。

参考文献

[1]蒋拥军，潘厚忠.S波段超宽带固态功率放大器的研制[J].微波学报，2005（21）：101-103.

[2]杨国敏，肖高标.射频低噪声放大器电路结构设计[J].电子测量技术，2006，29（01）：1-2.