崔 亮，張忠山，楊 楠

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引 言

行波放大器因在寬帶工作范圍內(nèi)的優(yōu)異性能，被廣泛用于微波通信、微波測量、雷達(dá)以及電子對抗等接收系統(tǒng)。通過改良傳統(tǒng)行波放大器的增益單元，可以改善其性能，提升放大器的增益和輸出功率等[1-5]。本文基于GaAs pHEMT設(shè)計(jì)了一款行波放大器，在+7 V工作電壓偏置下，0.1～40 GHz帶寬內(nèi)的增益為19 dB，增益平坦度為±1 dB，在20 GHz處，1 dB增益壓縮點(diǎn)輸出功率24 dBm。此外，該行波放大器具有面積小、可重復(fù)性好、增益高以及輸出功率高等特點(diǎn)，外圍電路簡單裝配方便，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 行波放大器原理

行波放大器又被稱作分布式放大器，憑借簡單的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在超寬帶的頻率范圍內(nèi)擁有較好的性能，廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)。傳統(tǒng)行波放大器原理如圖1所示。一系列的電感分別串聯(lián)在并排晶體管的柵極和漏極兩邊形成兩條人工傳輸線，即柵極人工傳輸線和漏極人工傳輸線。信號(hào)從輸入端的柵極人工傳輸線進(jìn)入放大器，依次通過各個(gè)晶體管放大后進(jìn)入漏極傳輸線進(jìn)行輸出。相速度相同的信號(hào)會(huì)疊加輸出，多余的反向信號(hào)會(huì)被漏極傳輸線末端的吸收負(fù)載吸收。柵極傳輸線和漏極傳輸線結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。

圖1 傳統(tǒng)行波放大器原理簡圖

圖2 柵極人工傳輸線

圖3 漏極極人工傳輸線

行波放大器晶體管的柵極和漏極通過引入電感，分別與柵極和漏極的寄生電容構(gòu)成一組串聯(lián)的T型網(wǎng)絡(luò)。每一小節(jié)T型網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于一小節(jié)傳輸線，串聯(lián)起來的T型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了行波放大器的人工傳輸線。同時(shí)，在柵極傳輸線和漏極傳輸線的兩端分別有電阻Rg和Rd。柵極人工傳輸線上的電阻Rg用來吸收多余的輸入信號(hào)，輸入信號(hào)經(jīng)過各個(gè)晶體管后，多余的信號(hào)被柵極傳輸線的電阻吸收。晶體管放大后的信號(hào)在漏極傳輸線上會(huì)有部分信號(hào)進(jìn)行反向傳輸，這部分冗余信號(hào)會(huì)被漏極傳輸線的電阻吸收。通過分析行波放大器的兩條人工傳輸線可知，它最重要的部分是重復(fù)構(gòu)建T型網(wǎng)絡(luò)，選擇合適的柵極和漏極人工傳輸線的電容與電感。

將漏極和柵極的等效寄生電容Cds和Cgs統(tǒng)一用電容C表示，將參與人工傳輸線構(gòu)建的漏極電感Ld和柵極電感Lg統(tǒng)一用電感L表示，Z0表示為傳輸線的特征阻抗，由復(fù)阻抗計(jì)算可得從左邊看進(jìn)去的輸入阻抗：

式（1）中，令Zin=Z0，可以得到：

當(dāng)w2L2C＜＜1時(shí)，由式（2）可以得到：

所以，可得到傳輸線的特征阻抗Z0的表達(dá)式為：

一般來說，設(shè)計(jì)行波放大器時(shí)傳輸線的特征阻抗通常固定為50 Ω。由已知的晶體管寄生電容可以確定需要進(jìn)行匹配電感L的初值，進(jìn)而進(jìn)行行波放大器的仿真。

2 GaAs行波放大器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的GaAs行波放大器芯片的制作是基于中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所的GaAs工藝。通過分析傳統(tǒng)行波放大器的原理可知，傳統(tǒng)行波放大器采用多個(gè)晶體管并聯(lián)的形式，每個(gè)晶體管構(gòu)成一個(gè)單元，通過優(yōu)化這個(gè)單元可以得到性能更好的行波放大器。

設(shè)計(jì)的0.1～40 GHz GaAs MMIC行波放大器拓?fù)淙鐖D4所示，采用cascode結(jié)構(gòu)作為行波放大器的增益單元。Cascode結(jié)構(gòu)具有高增益和高隔離特點(diǎn)，適合超寬帶的設(shè)計(jì)。共源管和共柵管采用相同且尺寸合適的晶體管，小尺寸的晶體管具有較小的柵極寄生電容，寄生電容會(huì)直接影響等效傳輸線的截止頻率進(jìn)而影響帶寬，最終在增益、輸出功率以及帶寬等指標(biāo)的折中下選定管子尺寸。共源管的柵極采用外加電源提供所需要的負(fù)電壓。在芯片內(nèi)部共柵管的柵極電壓由漏極電壓分壓得到，以此減少電源的使用。同時(shí)，在共柵管的柵極偏置線上的每一級(jí)增益單元間都加入旁路電容進(jìn)行充分濾波，以提升低頻帶寬。共柵管的柵極采用電容電阻串聯(lián)到地，提高射頻信號(hào)交流的同時(shí)影響電路的穩(wěn)定。每一級(jí)增益單元共柵管的漏極處都并聯(lián)一個(gè)小電容到地，在不影響電路帶寬的前提下提升高頻的穩(wěn)定性。此外，該行波放大器還具有檢波功能。

圖4 0.1～40 GHz GaAs MMIC行波放大器拓?fù)湓砗唸D

電路原理圖設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)行版圖電磁仿真，以生產(chǎn)對應(yīng)的版圖。本文設(shè)計(jì)的0.1～40 GHz行波放大器帶寬覆蓋到了毫米波頻段，很多無源器件會(huì)產(chǎn)生分布效應(yīng)。利用ADS中的Momentum功能進(jìn)行電磁場仿真，可使設(shè)計(jì)結(jié)果更接近于實(shí)測。

通常簡單的電路原理圖，利用ADS中Generate/Update Layout功能可直接生成版圖文件，經(jīng)過簡單修改后開始進(jìn)行電磁場仿真。對于復(fù)雜電路，這種方式生成的版圖圖形不能最優(yōu)排布，將導(dǎo)致電磁耦合和圖形面積過大等問題。設(shè)計(jì)的超寬帶行波放大器本著低成本的設(shè)計(jì)理念，對版圖排版進(jìn)行充分優(yōu)化，保證性能指標(biāo)的同時(shí)，做到芯片面積最小。電路原理圖和版圖聯(lián)合仿真曲線分別如圖5和圖6所示。

最終得到如圖7所示的0.1～40 GHz GaAs MMIC行波放大器版圖，芯片尺寸為2.4×1.0 mm2。射頻方向?yàn)樽筮M(jìn)右出，芯片上方為漏極偏置壓點(diǎn)與功率檢測壓點(diǎn)，右下方為共源管的柵極偏置壓點(diǎn)。

3 測試結(jié)果分析

在+7 V漏極電壓的工作條件下，探針臺(tái)裸片測試了該款行波放大器芯片在常溫條件下的小信號(hào)S參數(shù)、P-1輸出功率以及飽和輸出功率（輸出P3dB）等指標(biāo)，測試結(jié)果如圖8所示。

圖5 增益與頻率的關(guān)系曲線

圖6 增益壓縮點(diǎn)輸出功率與頻率的關(guān)系曲線

圖7 0.1～40 GHz GaAs MMIC行波放大器版圖

圖8（a）在0.1～40 GHz的帶寬內(nèi)增益為19 dB，增益波動(dòng)為±1 dB；圖8（b）顯示了該行波放大器工作帶寬內(nèi)具有良好的輸入回波損耗，輸入回波損耗均在-10 dB以下；圖8（c）和圖8（d）分別顯示了該行波放大器的輸出P1dB和輸出P3dB時(shí)的輸出功率特性。

圖8 0.1～40 GHz GaAs MMIC行波放大器裝配測試結(jié)果

4 結(jié) 論

本文基于GaAs pHEMT工藝設(shè)計(jì)并制作了一款0.1～40 GHz行波放大器芯片，同時(shí)集成了電壓檢波功能。測試結(jié)果顯示，它在實(shí)現(xiàn)了0.1～40 GHz超寬帶工作的同時(shí)，小信號(hào)和功率性能優(yōu)良，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，滿足了工程需求。