C波段射頻功率放大器的設(shè)計

摘 要：射頻功率放大器是微波發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分。由于氮化鎵功率管具有帶隙寬、擊穿電場高的特性，因此其帶寬寬、特性高效。利用ADS仿真軟件設(shè)計一種功率放大器，以晶體管小信號I-V曲線以及S參數(shù)作為功率管輸入和輸出阻抗匹配和偏置電路設(shè)計優(yōu)化的參考數(shù)據(jù)。在4GHz—6.5GHz頻段范圍內(nèi)，將射頻信號輸入功率為0dBm，放大為38dBm，帶內(nèi)波動控制在±1dB。

關(guān)鍵詞：C波段射頻功率放大器；GaN半導(dǎo)體；設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.095

半導(dǎo)體功率器件GaN作為一種新型晶體管，其電子遷移率高、頻帶寬、擊穿場強(qiáng)高以及功率密度大等特點(diǎn)，這使得其適用于高功率、高頻率的功率器件。寬頻帶半導(dǎo)體功率元器件被廣泛應(yīng)用于民用和軍用的雷達(dá)、通信等領(lǐng)域，使電子信息系統(tǒng)的性能得到極大提升[1]。本文利用了AgilentADS仿真軟件設(shè)計一種C波段功率放大器，具有2.5G的帶寬，主要適用于無線通信、雷達(dá)等。該C波段功率放大器的技術(shù)參數(shù)為在4—6.5GHz波段范圍內(nèi)，其輸入功率為0dBm，輸出放大功率為38dBm，帶內(nèi)波動范圍為<±1dB。

1 射頻功率放大器工作原理

對射頻功率放大器進(jìn)行總體設(shè)計時，結(jié)合功率放大器的輸出功率、工作頻帶特點(diǎn)，先分級設(shè)計，而后再將各級級聯(lián)的設(shè)計思路。本文中設(shè)計的功率放大器模塊設(shè)計為兩級放大，以C波段的功率放大模塊EMM5078ZV作為驅(qū)動級放大設(shè)計，GaN功率管TGF2023作為功放級放大設(shè)計。驅(qū)動級放大電路設(shè)計重在提高增益，并保證增益相應(yīng)的平坦度；而功放級電路設(shè)計則側(cè)重于輸出功率的保障[2]。

2 射頻功放器設(shè)計

2.1 功放級設(shè)計

基于市場上提供的絕大多數(shù)GaN射頻功放管其廠商并未提供大信號模型，缺少DesignKit，因此，本設(shè)計中使用的GaN功率管TGF2023其帶內(nèi)S參數(shù)在數(shù)據(jù)文件中提供。

GaN管的靜態(tài)工作點(diǎn)（漏極電流和偏置電壓、柵極偏置電壓）通過直流偏置仿真確定。通過對ADS中場效應(yīng)管直流仿真模板圖的引入，同時增設(shè)二端口模型，將其導(dǎo)入S參數(shù)的文件，并且將直流偏置仿真控件加入其中，最后確定VDS=28V和IDS=0.5A條件下的VGS結(jié)果。柵極偏置電壓則通過仿真結(jié)果得到VGS=-1V，漏極電流0.535A。

通過將GaN管封裝參數(shù)導(dǎo)入輸出匹配的電路中，從而使場效應(yīng)管輸出匹配電路得到優(yōu)化，進(jìn)而向輸出電路提供可靠的負(fù)載阻抗。因此，這就要求得到Cds的參數(shù)值。根據(jù)芯片手冊提供的參數(shù)，可計算封裝寄生元件的輸出阻抗，通過ADS中的阻抗匹配軟件將負(fù)載的阻抗匹配至50Q。然后參照Cgs結(jié)果，確定源阻抗匹配電路。

偏置電路可以將直流供電系統(tǒng)所產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)接到放大器的柵極和漏極。功放級直流饋電采用1/4波長微帶線，漏極和柵極分別以28V、-1V電壓供電。

微帶線的尺寸計算利用ADS軟件中的傳輸線計算工具完成，對全匹配電路開展微帶線的設(shè)計，最后配置好柵極偏置電路以及漏極饋電電路，完成功放級電路的設(shè)計。

穩(wěn)定性分析是每一個功率放大芯片必須要開展的工作，以避免出現(xiàn)自激顯現(xiàn)導(dǎo)致管子燒毀。通過增加穩(wěn)定性仿真因子，進(jìn)行全電路的仿真，觀測2—8GHz頻帶范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，結(jié)果如圖1所示。

由上圖1可知，在該頻段內(nèi)，穩(wěn)定性系數(shù)K>1，因此，全電路穩(wěn)定。

通過對全電路的仿真，對微帶線和匹配電容值進(jìn)行調(diào)整，并匹配結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，觀測參數(shù)S21、S11、S22的變化，仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2所示的仿真結(jié)果可知，5—6.5GHz范圍內(nèi)，S21的增益大于10dB，S11<-25dBc，S22<-12dBc。結(jié)果表明，輸出端的反射和駐波良好，S11和S22被匹配到50Q左右，功率管的工作狀態(tài)最佳，基本符合設(shè)計要求。

2.2 驅(qū)動級設(shè)計

驅(qū)動級配置的C波段功放模塊EMM5078ZV，最大放大倍數(shù)30dB，輸出最大功率26dBm，頻帶寬3.4—8.4GHz，漏源電壓和柵源電壓分別為10V和-3V，輸入和輸出根據(jù)內(nèi)匹配的方式匹配500hm，因此只需要對功放模塊設(shè)計合理的偏置電路即可滿足設(shè)計要求。

2.3 供電電路設(shè)計

對于GaNHEMT的柵壓和漏壓的施加和斷開順序，施加時，柵壓先于漏壓，斷開時，漏壓先于柵壓，否則將會引起漏極電流劇增，造成功放管損壞。因此對于該問題的解決應(yīng)當(dāng)采用定序偏置供電電路。

3 射頻功率放大器測試和分析

通過測試驅(qū)動級、功放級以及供電模塊，各項功率放大器技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計要求測試結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計的功率放大器的功放級放大器件采用GaNHEMT，驅(qū)動級功放模塊采用EMM5078ZV，通過對匹配電路、供電電路、偏置電路的優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計出C波段射頻功率放大器。結(jié)合相應(yīng)的測試，結(jié)果顯示，各項技術(shù)參數(shù)滿足設(shè)計要求，可以進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]TrewRJ，BilbroGL，KuangW，etal.Microwave AlGaN GaN HFETs[J]. IEEE Microwave Magazine，2005，6（01）：56266.

[2]白曉東，譯.GuillermoGonzalez，微波晶體管放大器分析與設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版，2003：192-193.

作者簡介：陳艷（1989-），女，江蘇建湖人，本科，助理工程師，從事微波射頻電路方面的研究。