一種適用于L波段小型化功率放大器的方案

摘? 要：針對傳統(tǒng)內(nèi)匹配功率放大器在L波段及以下頻段匹配用鍵合線過長的問題，采用微帶結(jié)構(gòu)進行替代，并通過優(yōu)化電路布局，縮小了電路尺寸;簡化級間匹配電路，進一步縮小電路尺寸;輸入匹配電路采用低端增益抑制電路，解決了低端增益過高的問題。最終研制了一款1.2～1.4 GHz的功率放大器。測試結(jié)果表明在漏源電壓28 V、脈寬200 us、占空比20%狀態(tài)下，功率增益大于25 dB，輸出功率全部達到了80 W，功率平坦度為0.4 dB，功率附加效率大于70%，最高點達到了73%，而體積僅有14×10 mm。

關(guān)鍵詞：L波段;功率放大器;小型化

中圖分類號：TN722? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）02-0063-03

Abstract： In order to solve the problem that the bonding line of traditional internal matching power amplifier is too long in L-band and below， microstrip structure is used to replace it， and the circuit size is reduced by optimizing the circuit layout; simplify the inter stage matching circuit and further reduce the circuit size; the input matching circuit adopts low-end gain suppression circuit to solve the problem of high low-end gain. Finally， a 1.2～1.4 GHz power amplifier is developed. The test results show that when the drain source voltage is 28 V， the pulse width is 200 us and the duty cycle is 20%， the power gain is greater than 25 dB， all the output power reach 80 W， the power flatness is 0.4 dB， the power added efficiency is greater than 70% and the highest point reaches 73%. The volume is only 14×10 mm.

Keywords： L-band; power amplifier; miniaturization

0? 引? 言

隨著無線通信技術(shù)與電子信息技術(shù)的快速的發(fā)展，多種通訊模式和通信標準的多種通信系統(tǒng)應運而生，這給人們的工作以及生活帶來了極大的便捷。不管在民用還是軍用領(lǐng)域，都迫切要求集成多種電子系統(tǒng)以實現(xiàn)多功能工作，然而，在同一平臺集成多系統(tǒng)會造成設(shè)備體積、重量、成本大幅度的提高和可靠性的降低，因此電子系統(tǒng)特別是通信系統(tǒng)對小型化高效率的功率放大器的需求不斷增加。

傳統(tǒng)的內(nèi)匹配電路首先采用一階LCL預匹配電路（其中的L大多數(shù)情況下采用鍵合金絲實現(xiàn)），將功率管芯的阻抗適當?shù)奶嵘⑷サ羝涮摬?，為后面的匹配?chuàng)造條件。然后利用功分器的形式進行輸入輸出端口阻抗的匹配。然而要想增大功率放大器的功率輸出能力，就必須增加功率管芯的總柵寬，這將導致寄生電容的增大，進而需要匹配用的電感就要很大以至于無法用鍵合金絲實現(xiàn)，這在L波段P波段甚至以下頻段尤為明顯。這就要求我們研究新的適用于L波段及以下頻段的匹配結(jié)構(gòu)，以提高功率放大器的性能[1-5]。

本文運用傳輸線理論分析與CAD仿真技術(shù)相結(jié)合的方式，經(jīng)過理論分析與研究，提供了一種解決L波段匹配用鍵合金絲過長無法實現(xiàn)的問題，并簡化了級間匹配電路，極大的縮小了電路尺寸，輸入匹配電路增加了低端增益抑制網(wǎng)絡(luò)，抑制了低端的增益，進而提高了功率放大器的穩(wěn)定性。經(jīng)過前述分析及設(shè)計，最終制作完成了一款L波段功率放大器，在漏源電壓28 V，在脈寬200 us，占空比20%狀態(tài)下，功率增益大于25 dB，輸出功率全部達到80 W，功率平坦度為0.4 dB，功率附加效率大于70%，最高點達到了73%。體積僅有13×10 mm。

1? 仿真與設(shè)計

1.1? L波段功率放大器輸出匹配的改進電路

傳統(tǒng)的內(nèi)匹配功率放大器采用一階LCL將管芯阻抗提升至合適的實阻抗，然后再用四分之一波長阻抗變換線，將阻抗匹配至50 歐姆。傳統(tǒng)內(nèi)匹配電路LCL電路示意圖如圖1所示。然而為了得到更大的功率輸出，就要增加管芯的總柵寬，柵寬的增加會使得寄生電容的增加，進而匹配電路需要提供的匹配電感就會增加，這在L波段及以下頻段更加明顯，以至于無法用鍵合金絲實現(xiàn)。

傳統(tǒng)內(nèi)匹配結(jié)構(gòu)中LCL匹配電路，其中的L的等效電路模型可以用并聯(lián)電容C1、C2串聯(lián)電感L和串聯(lián)電阻R組成的低通網(wǎng)絡(luò)來表示。如圖2所示。

式中：μ0為空氣的導磁率;μr為金材料鍵合線的相對導磁率（對于金絲，μr=1）;δ為損耗因數(shù);ds與ρ分別為金材料鍵合線的趨膚深度和電阻率。

對于均勻傳輸線，其分布參數(shù)是均勻分布的，我們設(shè)線上每單位長度上的串聯(lián)電阻為R1，串聯(lián)電感為L1，并聯(lián)電導為G1，并聯(lián)電容為C1，根據(jù)電報方程及其具體等效電路，可以得出其分布參數(shù)電路的表達式。因為考察的是均勻的傳輸線，故可以在線上任意點Z處取線元dz來研究，dz可以足夠短（dz遠小于波長），這樣dz上的分布參數(shù)效應可以用串聯(lián)阻抗z1dz和并聯(lián)導納y1dz的集總參數(shù)電路來等效，具體等效電路如圖3所示。

其中，R1、L1、G1、C1比與微帶的寬度長度和形狀等有關(guān)，比較鍵合線和微帶線的等效電路及具體電阻、電感表達式，可以得出，只要選擇合適長度和寬度的微帶線，就可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)匹配電路中的金絲電感，進而解決在L波段以及以下頻段鍵合金絲過長無法實現(xiàn)的問題。并且通過優(yōu)化電路布局還可以縮小電路尺寸。

用傳統(tǒng)內(nèi)匹配結(jié)構(gòu)仿真L波段功率放大器，得到輸出端口匹配用金絲長度為10 mm，這么長的鍵合金絲是無法實現(xiàn)的，并且會占用很大的電路面積，應用仿真軟件，通過調(diào)整微帶結(jié)構(gòu)的參數(shù)可以使其與鍵合金絲的頻率響應接近一致。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

從仿真結(jié)果可以看出，在要求的工作頻段，微帶結(jié)構(gòu)鍵合金絲的頻率響應接近一致。但是要是在較寬的頻率范圍內(nèi)完全代替金絲，就要增加微帶線的階數(shù)。

1.2? 放大器級間匹配電路的設(shè)計

多級放大器的級間匹配電路一般有以下功能：第一，級間匹配電路與輸入匹配電路一起實現(xiàn)平坦的增益特性;第二，具備兩級間的隔直流作用。射頻和微波功率放大器在工作時往往處于非線性的狀態(tài)，此時功率放大過程中會產(chǎn)生大量的諧波分量，所以，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)一般除了起到阻抗變換作用，還應該有適當?shù)臑V波作用。很多時候，可以采用長度為四分之一波長的微帶線和電容元件的組合匹配，長度為八分之一波長的微帶線電容元件組合匹配或者傳輸線直接串接匹配等，有時候還采用多級的并聯(lián)導納匹配，T型網(wǎng)絡(luò)匹配、π型網(wǎng)絡(luò)匹配等。本文中為了盡量減小電路尺寸、適當抑制帶外增益，采用簡單的匹配方式。

1.3? 低端增益抑制電路及穩(wěn)定性的設(shè)計

有源器件的增益隨著頻率的升高每倍頻程下降6 dB，所以放大器的帶外低端一般會出現(xiàn)不易消除的增益尖峰，本文中為了減小電路尺寸，級間匹配電路并未過多地考慮低端增益的抑制，而將低端增益的抑制主要放在功率較小的輸入匹配處。

微帶線的長度L為L=λ/4，其中λ為工作頻段高端的波長。圖中分支線端口A點對高端頻率是開路面，沒有微帶電流，在此處串聯(lián)電阻R對高端頻率沒有影響，而對工作頻率外的低端，A點不再是開路面，因而有電流損耗，可以壓低低端增益。

功率放大器不穩(wěn)定的原因是輸出的信號通過晶體管內(nèi)部的寄生電容返回到功放的輸入端，或通過其他路徑如電源通路、腔體效應等形成了正反饋，從而形成了自激。有些嚴重的情況下，甚至可能燒毀器件、組件和測試用的儀器和設(shè)備。所以功率放大器設(shè)計的重點之一是對功率放大器進行穩(wěn)定性分析，了解功放穩(wěn)定工作的條件，進行穩(wěn)定性設(shè)計，就顯得十分有必要。

穩(wěn)定性是功率放大器最重要的指標之一，如果輕微的擾動就會使功率放大器產(chǎn)生自激震蕩輕則造成系統(tǒng)無法工作，重則會燒毀系統(tǒng)。造成不可估量的損失。

因此，在設(shè)計功率放大器的時候，重點關(guān)注了穩(wěn)定性指標，對功率放大器的穩(wěn)定性進行了分析與設(shè)計。使其在0～10 GHz的范圍內(nèi)均穩(wěn)定。

通過以上理論分析，用微帶線代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)匹配功放匹配用的鍵合金絲，應用仿真軟件對電路進行仿真設(shè)計，匹配電路制作在介電常數(shù)為40的高介陶瓷上，最后金錫燒結(jié)于0.5 mm的鉬銅墊片上，第二階匹配電路制作與電路板上。

2? 性能測試

利用微波功率測試系統(tǒng)，對改進后的小型化L波段GaN功率放大器進行微波功率性能的測量。如圖6所示，偏置條件設(shè)定為漏源電壓為28 V，柵源電壓為-3 V。在脈寬200 us，占空比20%條件下測試，在1.2～1.4 GHz的頻帶內(nèi)，輸出功率全部大于80 W，功率平坦度為0.4 dB，功率增益為25 dB，功率附加效率大于70%，最高點達到了73%。且仿真結(jié)果與實測結(jié)果相比較，差距較小，說明這種設(shè)計方法完全能夠滿足功率放大器的設(shè)計精度要求，可以很好地指導功率放大器的設(shè)計。而其體積僅有14 mm×10 mm，可以很好的滿足小型化的要求，如圖7所示。

3? 結(jié)? 論

本文通過分析鍵合金絲與微帶線的等效電路模型，通過仿真軟件，用合適長度和寬度的微帶線替代鍵合金絲，很好地解決了傳統(tǒng)內(nèi)匹配電路在L波段P波段及以下較低頻段鍵合金絲過長無法實現(xiàn)的問題，并由于鍵合金絲的變短，使用平面微帶電路可以通過合理優(yōu)化電路版圖布局，極大的縮小電路尺寸;另外，通過簡化級間匹配電路，進一步縮小電路尺寸;最后，輸入匹配采用低端增益抑制電路，壓低了帶外低端增益，提高了電路的穩(wěn)定性。最終實現(xiàn)了在1.2～1.4 GHz的帶寬內(nèi)實現(xiàn)了80 W的功率輸出，功率增益達到了25 dB，功率附加效率達到了73%。電路尺寸僅有14×10 mm。因此采用此種方法可以有效解決L波段及以下頻段鍵合金絲過長的問題，并可以極大地縮小電路尺寸，具有非常廣闊的工程應用前景。

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作者簡介：關(guān)統(tǒng)新（1987—），男，漢族，甘肅白銀人，工程師，碩士研究生，主要研究方向：GaN功率放大器。