C波段射頻功率放大器的設計

摘 要：射頻功率放大器是微波發射系統的重要組成部分。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仿真軟件設計一種功率放大器，以晶體管小信號I-V曲線以及S參數作為功率管輸入和輸出阻抗匹配和偏置電路設計優化的參考數據。在4GHz—6.5GHz頻段范圍內，將射頻信號輸入功率為0dBm，放大為38dBm，帶內波動控制在±1dB。

關鍵詞：C波段射頻功率放大器；GaN半導體；設計

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

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

1 射頻功率放大器工作原理

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

2 射頻功放器設計

2.1 功放級設計

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

GaN管的靜態工作點（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中場效應管直流仿真模板圖的引入，同時增設二端口模型，將其導入S參數的文件，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結果。柵極偏置電壓則通過仿真結果得到VGS=-1V，漏極電流0.535A。

通過將GaN管封裝參數導入輸出匹配的電路中，從而使場效應管輸出匹配電路得到優化，進而向輸出電路提供可靠的負載阻抗。因此，這就要求得到Cds的參數值。根據芯片手冊提供的參數，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載的阻抗匹配至50Q。然后參照Cgs結果，確定源阻抗匹配電路。

偏置電路可以將直流供電系統所產生的電壓轉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計。

穩定性分析是每一個功率放大芯片必須要開展的工作，以避免出現自激顯現導致管子燒毀。通過增加穩定性仿真因子，進行全電路的仿真，觀測2—8GHz頻帶范圍內的穩定性，結果如圖1所示。

由上圖1可知，在該頻段內，穩定性系數K>1，因此，全電路穩定。

通過對全電路的仿真，對微帶線和匹配電容值進行調整，并匹配結構進行優化，觀測參數S21、S11、S22的變化，仿真結果如圖2所示。

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

2.2 驅動級設計

驅動級配置的C波段功放模塊EMM5078ZV，最大放大倍數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，輸入和輸出根據內匹配的方式匹配500hm，因此只需要對功放模塊設計合理的偏置電路即可滿足設計要求。

2.3 供電電路設計

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當采用定序偏置供電電路。

3 射頻功率放大器測試和分析

通過測試驅動級、功放級以及供電模塊，各項功率放大器技術指標均滿足設計要求測試結果如表1所示。

4 結論

本文所設計的功率放大器的功放級放大器件采用GaNHEMT，驅動級功放模塊采用EMM5078ZV，通過對匹配電路、供電電路、偏置電路的優化設計，設計出C波段射頻功率放大器。結合相應的測試，結果顯示，各項技術參數滿足設計要求，可以進行相應的應用。

參考文獻：

[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計[M].北京：清華大學出版，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。