寬帶固態(tài)功率放大器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

孫鳳義　鄭燕　翟冰

摘 要：本文首先提出了寬帶固態(tài)功放設(shè)計(jì)原理，然后重點(diǎn)講敘了電路設(shè)計(jì)與仿真，最后介紹了測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果。

關(guān)鍵詞：固態(tài)功率；放大器；設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN722 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

目前，電真空器件、半導(dǎo)體器件以及電真空與半導(dǎo)體器件是雷達(dá)和電子對(duì)抗發(fā)射系統(tǒng)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(tài)功率放大器（由寬帶半導(dǎo)體功率器件實(shí)現(xiàn)）具有工作電壓低、工作時(shí)間長(zhǎng)、開(kāi)機(jī)速度快等優(yōu)越性，因此，它的廣泛使用能夠改善傳統(tǒng)器件在惡劣環(huán)境中工作效率低的局限性。與此同時(shí)，在雷達(dá)技術(shù)高速發(fā)展的推動(dòng)下，輸出功率及瞬時(shí)帶寬的高要求對(duì)于寬帶固態(tài)功率放大器來(lái)說(shuō)，也將是一個(gè)新的技術(shù)瓶頸。除此之外，僅依靠經(jīng)驗(yàn)的積累與調(diào)試來(lái)完成大功率放大器電路設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)輸入輸出的寬帶與電路網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)一致，從一定程度上來(lái)講，這是不太現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)槠洳粌H會(huì)加大設(shè)計(jì)工作的難度，影響設(shè)計(jì)效果，而且還會(huì)增加設(shè)計(jì)成本，造成不必要的資源浪費(fèi)。為了改善這個(gè)局面，高效ADS軟件應(yīng)運(yùn)而生，該軟件的使用，不僅可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)與調(diào)試步驟，而且可以降低研發(fā)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

本文筆者依據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)，利用ADS軟件進(jìn)行寬帶固態(tài)功率放大器的設(shè)計(jì)，首先提出了寬帶固態(tài)功放設(shè)計(jì)原理，然后重點(diǎn)講述了電路設(shè)計(jì)與仿真，最后介紹了測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果，這對(duì)寬帶固態(tài)功率放大器的設(shè)計(jì)研究具有指導(dǎo)意義。

一、寬帶固態(tài)功放設(shè)計(jì)原理

概括地說(shuō)，選擇的功放設(shè)計(jì)方案既要考慮到設(shè)備小型化、模塊化的實(shí)際情況，又要符合既定的技術(shù)指標(biāo)，為了達(dá)到這個(gè)要求，可考慮國(guó)際上的流行做法，即通過(guò)MMIC集成電路實(shí)現(xiàn)前級(jí)的增益，利用分離式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)末級(jí)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(jīng)廣泛推廣的微帶結(jié)構(gòu)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(shuō)，選用的放大器要能夠?qū)崿F(xiàn)增益的目標(biāo)，且工作頻率要較為適宜，最好能夠?qū)崿F(xiàn)輸入輸出內(nèi)匹配，保障放大器前級(jí)增益最大化。與此同時(shí)，選用的放大器的后級(jí)（第二級(jí)），也要滿(mǎn)足高輸出功率的要求，并適當(dāng)在輸入、輸出端加入相應(yīng)的隔離器，以防止自激與保護(hù)功放芯片。

二、電路設(shè)計(jì)與仿真

1 直流仿真

在功放電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)是最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此，采用直流仿真分析被測(cè)電路的直流工作點(diǎn)特性是十分有必要的。

2 單級(jí)放大器仿真

為了達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果，在充分考慮電路性能的基礎(chǔ)上，采用分布元件設(shè)計(jì)電路，并在設(shè)計(jì)之前，先進(jìn)行電路初步優(yōu)化（主要通過(guò)集總元件來(lái)實(shí)現(xiàn)），再進(jìn)行電路的最終優(yōu)化（主要通過(guò)分布元件來(lái)實(shí)現(xiàn)）。與此同時(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，優(yōu)先匹配中心頻帶放大器的頻率，再以此為基礎(chǔ)，匹配整個(gè)寬帶功率放大器的頻率；為減少帶內(nèi)幅度波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)所需的頻帶，選擇的匹配電路應(yīng)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(dá)到高輸出功率的要求，只有通過(guò)平衡式的方式才能沖破這個(gè)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(shù)，節(jié)省隔離器，這是因?yàn)椋狠斎?、輸出?dB電橋兩路輸入信號(hào)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(huì)相互抵消，從而為各個(gè)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(shí)現(xiàn)）。

三、測(cè)試方法

1 版圖設(shè)計(jì)

版圖設(shè)計(jì)位于電路圖設(shè)計(jì)之后。利用ADS版圖中層的定義；并選擇LAYOUT完成版圖的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)際的電路版圖形式可通過(guò)原理圖轉(zhuǎn)化得到（主要通過(guò)LAYOUT軟件實(shí)現(xiàn)），同時(shí)版圖大小、形狀也可通過(guò)該軟件來(lái)予以設(shè)計(jì)。

2 測(cè)試方法

采用agilent E8257D產(chǎn)生輸入激勵(lì)信號(hào)，E8257D的輸出信號(hào)雜波抑制性及輸出功率與測(cè)試要求較為吻合。采用agilent E441SB采集輸出信號(hào)，且在輸入到功率計(jì)前采用大功率衰減器，以滿(mǎn)足放大器高輸出功率要求。

四、結(jié)果分析

測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)漏極電流為較低時(shí)，功率器件的工作電壓最佳，此時(shí)輸出功率，增益及增益平坦度均處于最佳值。從上述測(cè)試結(jié)果來(lái)看，工作電壓高及工作電流小是寬帶功率器件最大的優(yōu)勢(shì)。一般而言，工作電流越小，電源供電帶來(lái)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(jié)論

上述仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示：在高頻帶各項(xiàng)性能的設(shè)計(jì)結(jié)果與測(cè)試結(jié)果存在細(xì)微差別，這可能與測(cè)試過(guò)程有關(guān)，其他各項(xiàng)性能均能高度吻合。這就說(shuō)明，在對(duì)固態(tài)功率放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用ADS軟件進(jìn)行仿真與優(yōu)化，不僅會(huì)減少誤差，而且可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)步驟，提高設(shè)計(jì)的效率，因此，ADS軟件將受到微波電路設(shè)計(jì)師們的喜愛(ài)。

參考文獻(xiàn)

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