趙子巖，齊 敏，齊 榕，家建奎

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710129）

近年來(lái)隨著通訊技術(shù)的急速發(fā)展，微波單片集成放大電路（MMIC）因其體積小、可靠性高、一致性好[1]等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)越來(lái)越多的應(yīng)用于各種無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中。MMIC主要應(yīng)用于通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中，是各類(lèi)微波接收系統(tǒng)前端的關(guān)鍵電路，故對(duì)其的研究也越來(lái)越深入。本文通過(guò)研究C波段高增益放大器的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)二級(jí)放大電路，其具有高增益的特點(diǎn)，滿(mǎn)足通信系統(tǒng)的需要。

放大器的設(shè)計(jì)是相對(duì)比較復(fù)雜的，并且每種放大器用途不同，其各項(xiàng)指標(biāo)也是不一樣的。同時(shí)，一種放大器的各個(gè)指標(biāo)有時(shí)是相互沖突的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)一般要折中考慮，各方面都得兼顧。所以，在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要考慮所使用的環(huán)境和要求，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)。

1 電路整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

放大電路整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

為了得到足夠大的放大效果，整體放大電路采用二級(jí)放大的形式，如圖1所示，其主要包括偏置電路、匹配電路等。偏置電路的作用是給放大器提供一個(gè)最佳的靜態(tài)工作點(diǎn)，使放大器處于一個(gè)正常的工作狀態(tài)，能夠正常實(shí)現(xiàn)放大器的放大功能。同時(shí)，為了使信號(hào)更好的傳遞給下一級(jí)或者輸出，必須在電路中加入匹配電路，另外一個(gè)就是它能夠避免因不匹配而造成放大器的損壞，其重要性在放大電路中的作用是至關(guān)重要的。

圖1 電路整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of the amplifier circuit

2 偏置電路的設(shè)計(jì)

偏置電路決定著放大器的工作狀態(tài)，合適的偏置電路會(huì)使放大器的工作狀態(tài)更加穩(wěn)定。砷化鎵FET是由柵極電壓控制漏極電流的，所以跨導(dǎo)的大小對(duì)漏極電流影響是很明顯的，漏極電流越大也更容易產(chǎn)生自激。而大功率器件有很大的柵極外圍和很大的跨導(dǎo)，因此偏置電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響著放大器性能[2]。柵極電阻應(yīng)盡可能靠近器件的柵極以進(jìn)行靜電保護(hù)和防止自激振蕩。偏置電路和輸入匹配電路是并聯(lián)的，在基頻上的阻抗應(yīng)該是無(wú)窮大。由于柵極電流很小，所以第一級(jí)l/4波長(zhǎng)高阻線(xiàn)的特性阻抗可以取值很高。然而，為了減小柵極電阻的直接并聯(lián)對(duì)主輸入電路的阻抗的影響，通常將偏置電路作為匹配電路的一部分，表現(xiàn)為一個(gè)阻抗為Z=j*Zotanθ（假設(shè)損耗很?。┖洼斎肫ヅ潆娐凡⒙?lián)[3]。

柵極偏置電路中柵極電阻取值是很重要的，甚至?xí)绊懙狡骷欠衲芊€(wěn)定工作。柵極電阻不是柵極偏置電路中直接連接到器件柵極的那個(gè)電阻，而是還應(yīng)該包含其它電阻在內(nèi)的總的一個(gè)等效電阻。如果漏極電路用做匹配電路的一部分，第一節(jié)線(xiàn)的長(zhǎng)度應(yīng)小于90度，該電路的阻抗為Z=j*Zotanθ（假設(shè)為低損耗），和輸出匹配電路并聯(lián)。如果該電路的功能僅是提供偏置，則θ=90°，其特性阻抗為無(wú)窮大。在第一節(jié)微帶線(xiàn)的末端和地之間，并聯(lián)去耦電容和一個(gè)電阻串聯(lián)電路。這個(gè)電路中引入一個(gè)有耗元件和去耦電容并聯(lián)，以改善放大器的穩(wěn)定性[4-5]。

3 匹配電路的設(shè)計(jì)

阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是成功設(shè)計(jì)固態(tài)高效功率放大器的關(guān)鍵。如果電路匹配不佳，微波功率不能很好地傳送到負(fù)載而是反射回來(lái)，甚至?xí)a(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致晶體管燒毀。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體管輸入端口與信號(hào)源之間的匹配，它把晶體管呈現(xiàn)的復(fù)數(shù)阻抗變換為與信號(hào)源阻抗共軛匹配[6]（即50 Ω電阻性的源阻抗），以獲得最大功率增益匹配。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)用來(lái)完成晶體管的輸出端口與負(fù)載之間的匹配。

在獲得了功率管大信號(hào)參數(shù)的基礎(chǔ)上便可進(jìn)行匹配電路的設(shè)計(jì)。由于大多數(shù)功率放大器都有帶寬的指標(biāo)要求，因此，匹配電路的設(shè)計(jì)應(yīng)能滿(mǎn)足放大器的帶寬要求。典型的寬帶匹配電路形式有：多節(jié)并聯(lián)導(dǎo)納匹配、漸變線(xiàn)阻抗變換器、四分之一波長(zhǎng)多階梯阻抗變換器、變阻濾波器阻抗變換器等。

文中匹配電路的設(shè)計(jì)主要是采用多節(jié)并聯(lián)導(dǎo)納匹配法，多節(jié)并聯(lián)導(dǎo)納匹配法的設(shè)計(jì)思路如下：首先，測(cè)出晶體管在不同工作頻率上的導(dǎo)納值，再將測(cè)得的這些導(dǎo)納值都描述在導(dǎo)納圓圖上；其次按頻率順序由低至高，將導(dǎo)納值連成一條曲線(xiàn)。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)此曲線(xiàn)形狀選用多個(gè)并聯(lián)電納，從不同位置接入，以在寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)共軛匹配。

寬頻帶的共軛匹配一般通過(guò)Smith圓圖法，如圖2所示，晶體管在中心頻率點(diǎn)導(dǎo)納值為M，高頻端導(dǎo)納值為S，低頻端導(dǎo)納值為L(zhǎng)。從弧線(xiàn)LMS，我們可以看出，若先接入微帶線(xiàn)，讓導(dǎo)納曲線(xiàn)直接向信號(hào)源方向轉(zhuǎn)，則L點(diǎn)更落后于S點(diǎn)，起不了壓縮作用。因此，我們可在晶體管的輸入端（或輸出端）并接一容性電納，使導(dǎo)納曲線(xiàn)沿等電導(dǎo)圓往右移動(dòng)，弧線(xiàn)LMS從A區(qū)轉(zhuǎn)到B區(qū)，這時(shí)頻帶內(nèi)，高、低端導(dǎo)納值相對(duì)變化不同，如圖中所示。這時(shí)再使L、M、S各點(diǎn)沿各自的等駐波系數(shù)圓向信號(hào)源方向移動(dòng)到電導(dǎo)的單位圓附近。然后，并接一個(gè)感性電納，就可將導(dǎo)納值曲線(xiàn)移到圓圖的1+i*0點(diǎn)附近達(dá)到匹配[7-8]。

圖2 多節(jié)并聯(lián)導(dǎo)納匹配原理圖Fig.2 Multiple parallel admittances matching

4 仿真與實(shí)際測(cè)量分析

在做實(shí)物之前，本電路運(yùn)用了ADS軟件進(jìn)行了仿真。為了使整個(gè)電路達(dá)到預(yù)期的效果，在此之前對(duì)放大器的匹配電路和偏置電路進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算出了各個(gè)微帶線(xiàn)的尺寸。仿真電路圖如圖3所示。

仿真結(jié)果如圖4所示。

在實(shí)測(cè)時(shí)主要測(cè)量了電路的增益，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

通過(guò)仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果可知，C波段高增益單片功率放大器的設(shè)計(jì)增益為15 dB，而實(shí)際單片電路增益的測(cè)試結(jié)果略小于15 dB，對(duì)比圖5中曲線(xiàn)，可以看出測(cè)試結(jié)果與放大器的設(shè)計(jì)增益比較吻合。

5 結(jié) 論

文中采用GaAs基InGaP HBT MMIC工藝制作了C波段高增益功率單片放大器。在本單片電路設(shè)計(jì)中，著重考慮放大電路的增益。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，測(cè)量了電路的放大指標(biāo)，對(duì)比測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果來(lái)看，增益系數(shù)的測(cè)試值和仿真值相差不到6%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

[1]劉志軍，高學(xué)邦，吳洪江.C波段高增益低噪聲放大器單片電路設(shè)計(jì)[J].微納電子技術(shù)，2009（7）:437-440.

LIU Zhi-jun，GAO Xue-bang，WU Hong-jiang.Design of C-band High-gain low noise amplifier[J].Micronanoelectronic Technology，2009（7）:437-440.

[2]邢靖.C波段固態(tài)功放設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2005（6）：59-62

XING Jing.Design and experimental research of solid-state power amplifier[J].Modern Radar，2005（6）:59-62.

[3]鄭新，趙玉潔.微波同態(tài)電路設(shè)計(jì)[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[4]張永慧.脈沖C類(lèi)固態(tài)放大器中偏置饋電電路的研究[J].中國(guó)科技信息，2005，6（13）：29.

ZHANG Yong-hui.The study of pulse C class I division in the amplifier offset feed circuit[J].Information Science and Technology of China，2005，6（13）：29.

圖3 仿真原理圖Fig.3 Simulation diagram

圖4 仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result

圖5 實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.5 The measured results

[5]李紅萍，馬應(yīng)魁，李泉，等.基于89C54的可控放大器設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2013（1）：82-84.

LI Hong-ping，MA Ying-kui，LI Quan，et al.A controllable amplifier design based on 89C54[J].Industrial Instrumentation&Automation，2013（1）：82-84.

[6]袁孝康，王仕蹯，朱俊達(dá).微帶功率晶體管放大器[M].北京：人氏郵電出版社，1982.

[7]清華人學(xué)微帶電路組編.微帶電路[M].北京：人民郵電出版社，1976.

[8]朱素杰，周波，劉忠艷.一種基于相位的立體匹配算法[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2013（2）：101-104.

ZHU Su-jie，ZHOU Bo，LIU Zhong-yan.A phase-based stereo matching algorithm[J].Industrial Instrumentation&Automation，2013（2）：101-104.