基于ADS的寬帶微波功率放大器設計

姜雨男

（江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061）

基于ADS的寬帶微波功率放大器設計

姜雨男

（江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061）

寬帶微波功率放大器在雷達和電子對抗中的應用越來越廣泛，而寬帶微波功率放大器的設計在國內(nèi)還處于起步階段。本文采用實頻技術方法和負載線仿真的方法設計了輸入輸出匹配電路，并使用先進的微波電路設計軟件ADS對電路進行了優(yōu)化和仿真，最終設計出一款X波段寬帶微波功率放大器。

寬帶微波功率放大器；S參數(shù)；匹配電路

1 引言

由于無線通信的飛速發(fā)展,滿足不同需求的通信系統(tǒng)應運而生，不同通信標準、不同工作模式的多種系統(tǒng)并存，給人類生活帶來極大的方便。人們希望不僅能在不同地方進行通話，而且要求開展數(shù)據(jù)、傳真等非話業(yè)務的服務。這些需求促使移動通信技術高速發(fā)展,通信的頻率不斷提高,通信的帶寬逐漸增加,使用的設備快速更新?lián)Q代，對于核心部件的微波功率放大器的要求也越來越高[1-2]。寬帶微波功率放大器以其低非線性失真以及良好的匹配性等特點，成為現(xiàn)代無線接入技術和遠程通信系統(tǒng)中的一種極為重要的放大器類型。在過去的10年里，相控陣雷達系統(tǒng)在軍用和民用領域發(fā)展迅速。相控陣雷達特別是有源相控陣雷達近年來有了高速發(fā)展，推動其發(fā)展的主要原因是對雷達性能的要求日益提高。由于微波功率放大器在雷達系統(tǒng)中的心臟作用，因而微波功率放大器成為制約系統(tǒng)性能和技術水平的關鍵部件，其性能的優(yōu)勢將直接影響到整個系統(tǒng)的質(zhì)量。

2 寬帶微波功率放大器匹配電路

2.1 寬帶微波功率放大器輸入輸出匹配電路

對于單級功率放大器而言，主要是設計輸入匹配電路和輸出匹配電路，而設計多級功率放大器則還需要設計級間匹配電路。在功率放大器設計中，輸入和輸出匹配電路基于特定的匹配功能而遵循不同的設計原則。輸入匹配電路是用來實現(xiàn)放大器輸入端口與信號源之間的匹配，它把放大器呈現(xiàn)的復數(shù)阻抗變換為與信號源阻抗共軛匹配，以獲得最大功率增益匹配。輸入匹配電路主要解決穩(wěn)定性、增益、增益平坦度、輸入駐波等問題。輸出匹配電路用來完成放大器的輸出端口與負載之間的匹配，其主要作用是提高輸出功率、改善輸出駐波比和抑制諧波。因此，增益及其平坦度的問題主要放在輸入端來解決，補償微波晶體管的自身增益滾降。微波功率放大器的輸入輸出阻抗都很小，大概只有幾歐姆的量級。其中輸入阻抗更小，而且虛部隨頻率變化較大。因此微波功率放大器的輸入阻抗變換比較大，匹配電路較難設計。在保證增益及其平坦度的同時很難獲得較小的輸入駐波比，寬帶設計中此問題更加突出[3]。

2.2 匹配網(wǎng)絡實現(xiàn)

微波功率放大器的匹配網(wǎng)絡的實現(xiàn)途徑主要有：集總元件法，分布參數(shù)法。利用分布參數(shù)法來實現(xiàn)阻抗匹配的方法主要有以下三種方法：①1/4波長階梯阻抗變換器；②微帶漸變線阻抗變換器；③微帶低通阻抗濾波阻抗變換器。1/4波長階梯阻抗變換器通常要求阻抗變化比小于5，且頻率范圍不易太寬，否則不易匹配。微帶漸變線和微帶低通濾波阻抗變換器兩種方法匹配帶寬比較寬，體積小，尤其是微帶低通濾波阻抗變換器，它不僅具有階梯阻抗變換器的性質(zhì)，而且結(jié)構(gòu)緊湊，阻帶衰減大，可起到濾波和阻抗變換雙重作用。

3 寬帶微波功率放大器設計

3.1 設計指標

本文以實際項目需要的微波功率放大器為實例，討論了其分析和設計的過程。該放大器的主要指標為：工作頻率為X波段；功率增益大于5dB；增益平坦度1dB。

3.2 穩(wěn)定性設計

放大器電路必須首先滿足的條件是在工作頻段內(nèi)的穩(wěn)定性。這對于微波電路是非常重要的，因為微波電路在某些工作頻率和終端條件下會產(chǎn)生振蕩，使放大器的增益急劇增大而燒毀晶體管。因此，放大器設計的第一步就是判斷放大器的穩(wěn)定性，然后加入電路元件保證其在工作頻段內(nèi)的穩(wěn)定性。我們將放大器視為一個兩端口網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡由S參數(shù)來描述，根據(jù)其穩(wěn)定性能可分為兩類：一類是絕對穩(wěn)定；另一類是潛在不穩(wěn)定[4]。所謂絕對穩(wěn)定是指當信號源阻抗ZS和負載阻抗ZL為任何值時，放大器都能工作。其絕對穩(wěn)定的條件如下[5]：

本次設計中，對所選擇的功放管進行S參數(shù)掃描，其穩(wěn)定性曲線如圖1所示，可見在X波段范圍內(nèi)是絕對穩(wěn)定的。

圖1 穩(wěn)定曲線

3.3 輸入輸出匹配電路設計

微波功率放大器的設計步驟是先設計輸出匹配電路，然后再設計輸入匹配電路。本次設計，輸出匹配電路采用負載線仿真方法設計，輸入匹配電路采用實頻技術法設計[6]。微波功放管的功率增益都是隨著頻率升高，以每倍頻程大約6dB規(guī)律下降。為了實現(xiàn)寬帶放大，就必須對增益的滾降特性進行補償，使低頻段增益降低。然而寬頻帶內(nèi)低頻段增益的降低必然使駐波比變壞。此外，功率管輸入阻抗也隨頻率有很大變化，這就增加了寬頻帶匹配電路的復雜性。為了得到高增益和最大輸出功率,匹配電路將50Ω源和負載阻抗變換到合適的阻抗,匹配MESFET管的源極和漏極。匹配電路含有電抗元件,因此對頻率有選擇性；匹配電路也決定了放大器的中心頻率和帶寬。

3.3.1 輸出匹配電路設計

輸出匹配電路主要是提高輸出功率、改善輸出駐波比和抑制諧波。為了達到最大輸出功率，輸出匹配電路必須對輸出阻抗進行優(yōu)化,首先應計算管子的負載線阻抗RL。本次設計所選擇的功率管參數(shù)為：漏級偏置電壓Vb為10V；曲線的拐點電壓Vs為1.8V；VGS=0V時的漏級電流Idss為0.8A。

負載牽引實驗表明,輸出匹配電路表示管子漏極負載,除了考慮純負載線電阻外,還必須考慮匹配一個小電抗,即與RL并聯(lián)的電容Cds。Cds值已由實驗得到,約每毫米柵寬0.10 PF。有了上述的元件值就可以進行輸出匹配電路的設計工作。

輸出匹配電路采用共扼匹配，先在單頻點上設計出匹配網(wǎng)絡，然后在整個頻段優(yōu)化匹配電路，以最大限度發(fā)揮功率管的輸出功率能力，使放大器在整個頻帶范圍內(nèi)都能等功率輸出。設計的輸出匹配電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 輸出匹配電路

3.3.2 輸入匹配電路設計

輸出匹配電路設計完成后，就可以進行輸入匹配電路的設計。輸入匹配電路主要解決增益平坦度、輸入駐波等問題。本文采用實頻技術方法來設計輸入匹配電路。相比解析方法，實頻技術法的最大優(yōu)勢在于它不需要負載阻抗的解析表達式，只需要離散頻點上的負載阻抗數(shù)據(jù)就可以了，而這些數(shù)據(jù)在實際應用中是較容易測量的。實頻技術法的計算流程為：用分段的線性函數(shù)近似所要設計的匹配網(wǎng)絡的輸出電阻；輸入離散頻點上的負載阻抗和預定增益；確定匹配網(wǎng)絡在指定頻點上的輸出電阻；用希爾伯特變換計算匹配網(wǎng)絡的輸出阻抗；計算匹配網(wǎng)絡在指定頻點上的增益；找到可以近似匹配網(wǎng)絡輸出電阻的線性函數(shù)；確保線性的輸出電阻函數(shù)是穩(wěn)定的變換函數(shù)；用蓋維茨方法計算匹配網(wǎng)絡的輸出阻抗函數(shù)；計算匹配網(wǎng)絡的輸出電抗函數(shù)；用連分式把電抗函數(shù)展開；根據(jù)展開式綜合出匹配網(wǎng)絡。實頻技術法設計的輸入匹配電路如圖3所示。

圖3 輸入匹配電路

3.4 電路總拓撲圖和仿真結(jié)果

用實頻技術法設計出的匹配網(wǎng)絡由集總元件構(gòu)成，把集總元件轉(zhuǎn)化為分布元件，再對輸入輸出網(wǎng)絡進行總體調(diào)試。圖4給出了微波功率放大器輸入輸出匹配電路總拓撲圖，其仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖4 微波功率放大器總拓撲圖

圖5 微波功率放大器增益

圖6 微波功率放大器穩(wěn)定系數(shù)

圖4為電路的總拓撲圖，它由輸入匹配電路和輸出匹配電路構(gòu)成。最終放大器的仿真結(jié)果如圖5和圖6所示，在X波段，單管增益達到5.5dB，增益平坦度為1dB；穩(wěn)定系數(shù)大于1，穩(wěn)定因子大于0，電路穩(wěn)定，達到了設計指標的要求。

4 結(jié)論

本文采用實頻技術方法和負載線仿真的方法設計了一款X波段寬帶微波功率放大器。該放大器信號增益達到5.5dB，增益平坦度為1dB，電路穩(wěn)定，既可作為獨立的放大器，也可作為相控陣雷達功放組件的基本放大單元，在無線通信、雷達、電子戰(zhàn)等領域有著廣泛的應用前景。

[1]Apel T，Bhatia R，Lauterwasser B．High Performance Wide-Band &Medium-Band Power Amplifier MMICs．IEEE GaAs IC Symposium．October 10-13，1993，San Jose，CA，359-362．

[2]Le H．An X-Band High-Efficiency Ion-Implanted MMIC Power Amplifier．IEEE Microwave and Millimeter-Wave Monolithic Circuits Symposium．June 10-11，1991，Boston，MA，pp 89-91．

[3]陳惠開．寬帶匹配網(wǎng)絡的理論與設計[M]．北京：人民郵電出版，1982．

[4]Guillermo Gonzalez．Microwave Transistor Amplifiers Analysis and Design[M]．白曉東，譯．北京：清華大學出版社，2003．

[5]Edwards M L，Sinsky J H．A new criterion for linear 2-port stability using a single geometrically derived parameter．IEEE Transactions on Microwave Theory and Tech，1992，40(12):2303-2311．

[6]Carlin H J．The Double matching problem:Analytic and real Frequency solutions，IEEE Trans．CAS，Jan．1983．

Design of Wideband Microwave PowerAmplifier Based onADS

Jiang Yunan
(JiangsuAutomation Research Institute,Lianyungang 222061,Jiangsu)

act】 Wideband microwave power amplifiers are increasingly extensively applied in radar and electron countermeasure while wideband power amplifier design is still in initial stage in China.The real frequency technique and load line simulation are used to design the input and output matching circuit.And ADS is used to optimize and simulate the circuits.Finally one X-Band wideband microwave power amplifier is designed.

wideband microwave power amplifier;S parameters;matching circuits

TN722

A

1008-6609(2015)03-0079-03

姜雨男，男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士研究生，工程師，研究方向：火控系統(tǒng)。