基于GaN管芯的LS波段宽带功率放大器的设计

2015-06-24赵家敏张瑞安士全

中国电子科学研究院学报 2015年6期

赵家敏，张瑞，安士全

赵家敏，张瑞，安士全

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 230031）

针对超宽带（0.8 GHz-5 GHz）功率放大器的设计要求，提出了一种可行的实现方法，采用小信号S参数，利用基于微带线分布参数元件的方法进行输入输出阻抗的宽带匹配电路设计。采用TriQuint公司的TGF2023-02管芯进行电路仿真，测试结果表明，带内增益大于12 dB，饱和功率输出大于39 dBm。测试结果与仿真吻合，验证了此方法的有效性。

TGF2023；宽带匹配；功放；小信号

0 引言

微波功率放大器是雷达、卫星、导航、通信、电子对抗等设备中重要的组成部分，功放的性能直接影响整个电子设备的性能［1-2］。随着科技的发展，要求功放轻质化、小型化、超宽带、高能量密度、高可靠性。TriQuint公司的TGF2023管芯由于价格低、频带宽（达18 GHz）、输出功率大等优点，具有很大的发展和应用空间，但该系列管芯没有对外公开大信号模型和静态I-V曲线，宽带匹配电路设计相对复杂。

本文探讨了一种宽带功放的设计方法，利用小信号S参数法进行管芯的输入输出阻抗匹配，设计了一款0.8-5G的宽带功率放大器，并通过实物测试验证了设计方法的可行性。

1 功放设计方法

微波器件在小信号工作时，被认为在线性状态，是一个线性网络；在大信号工作时，工作在非线性状态，是一个非线性网络。对于两种工作状态，适用于不同的分析方法。

（1）小信号S参数法［3］：小信号参数是入射波和反射波建立的一组线性关系，在微波电路中用来分析和描述网络的输入输出特性。利用小信号参数进行仿真，将电路视为一个四端口网络，在工作点上将电路线性化，通过特定的算法，分析出小信号增益、线性噪声参数、传输阻抗等。

（2）非线性分析法：在得到器件的大信号模型的情况下，利用ADS（Advanced Design System）软件中的谐波平衡仿真器，可以仿真出噪声系数、饱和电平、三阶交调、本振泄露、镜像抑制、中频抑制等参数。谐波平衡仿真器着眼于信号频域特性，擅长处理非线性电路的分析。

（3）负载牵引法：在没有小信号参数和大信号模型的情况下，可以利用负载牵引设备，在满足功率管均衡效率和功率下牵引出输入、输出阻抗，再进行匹配电路设计。但该仪器价格比较昂贵，只有专业设计生产功率管子的厂家才会配备。除了高线性的功率放大器外，大部分的功放是工作在大信号状态下的，属于非线性器件［4］。一般而言，设计师应该使用大信号模型进行射频电路设计，但是在很多情况下，设计师很难得到大信号模型，器件厂商只提供了功率器件的小信号参数。采用小信号参数，进行功率器件的输入输出电路匹配设计，以得到较高的增益和良好的驻波特性，后期对实物进行调试，同样可以得到性能良好的功放电路。

2 小信号S参数法设计宽带功率放大

TriQuint公司的TGF2023-02管芯做功放模块，该管芯既没有大信号模型，也无静态I-V曲线，仅在产品中给出了漏级电压28 V，静态电流250 mA下的小信号S参数，本文首先依据小信号S参数进行了功放的稳定性分析，然后对输入输出阻抗进行参数提取，最后利用输入输出阻抗做匹配优化设计。

功放的稳定性是保证设备安全可靠运行的必要条件，在现实应用中，存在信号源阻抗或负载阻抗与射频放大器网络不匹配，产生反射形成自激而造成设备的损坏。进行功放的稳定性分析，防止放大器自激，避免不必要的损失［5］。TGF2023管芯增益高，在输入端置一衰减器使管芯工作在稳定状态，如图1进行功放的稳定性分析，图2结果显示，稳定性因子＞1。

如图3所示，依据ADS软件中S-Parameters功能进行TGF2023-02管芯输入输出阻抗的提取，在图4的Smith Chart标示出整个带宽内阻抗变化的趋势，从Smith Chart中可以看出输出阻抗在整个频段内变化不大，输入阻抗实部变化不大，因此该功率管适合做宽带电路。根据宽带匹配电路保高放低的原则，选择靠近这条曲线中段偏高频点作为最佳负载匹配点能够在0.8～5 GHz内较好地达到效率、带宽折中的目的［6］。

图1 功放稳定性分析

图2 稳定性曲线

图3 S参数提取

图4 Sm ith Chart

在微波功率放大器的匹配电路设计中可以选择集总元件，也可以选择分布参数的微带线，为了达到低损耗、易加工、易调试、宽带宽的目的，设计的匹配电路采用微带开路短截线、短路短截线等分布参数进行电路匹配设计［7-9］。将图4扫描出的阻抗参数利用ADS软件中的DAC（Data Access Component）插件进行输入、输出阻抗匹配设计。

图5 输入阻抗匹配设计

图6 输出阻抗匹配设计

在对输入输出电路匹配后进行整体仿真，综合考虑功率放大器的增益、带内平坦度、驻波等，对电路进行优化设计，如图7所示。利用ADS软件的优化功能对电路整体仿真的结果如图8所示，由于GaN管芯本身的特性，0.8～2 GHz频带内增益大于14 dB，2～5 GHz频带内，增益大于12 dB，2～5 GHz频带内增益起伏±1 dB，整个频段内，驻波＜1.5。

图7 电路整体优化仿真

图8 仿真结果

3 实验结果与分析

在完成电路的ADS仿真，投产加工并进行测试。仿真使用的介质板材Rogers公司的RT5880，介电常数2.3，厚度0.254 mm。加工出的电路实物图，如图10所示，实际电路尺寸30 mm×10 mm。

图9 Tgf2023-02管芯

图10 功放实测电路

在漏压28 V，栅压-2.8 V，漏级静态电流60 mA，对电路进行测试。首先使用矢量网络分析仪进行小信号增益扫描，增益扫描结果如图11所示，0.8～2 GHz频带内增益大于14 dB，2～5 GHz频带内，增益大于12 dB，实测小信号增益与图8仿真结果一致。图12时在0.8～5 GHz的频带范围内压缩1 dB下输出功率随频率的变化范围，由图可以看出，整个频带内饱和输出功率大于39 dBm，输出功率起伏＜1 dB。

图11 实测电路小信号增益

图12 电路饱和输出功率

4 结语

利用GaN管芯TGF2023-02的小信号S参数，设计了一款宽带功率放大器，经测试在0.8～5 GHz频带内饱和输出功率＞39 dBm，起伏＜1 dB，电路尺寸30 mm×15 mm。经过实物测试结果，与仿真结果一致，验证了小信号S参数的有用性。本次设计的成功，为宽带功率放大器的设计提供了一种可行性方案。

［1］ Adahl A，Zirath H.An 1 GHz Class E LDMOS Power Amplifier［C］.European Microwave Conference.2003：285-288.

［2］曹韬，曾荣.基于GaN HEMT器件的宽带高效功率放大器［J］.微波学报，2012，28（6）：76-79.

［3］周恩，张兴，吕召彪，等.下一代宽带无线通信OFDM与MMO技术［M］.北京：人民邮电出版社，2008.

［4］ Andrei Grebennikov.RF and microwave power amplifier design［M］.McGraw-Hill Companies，2005.

［5］吕剑锋，孙虹.射频功率放大器的稳定性分析［J］.国外电子测量技术，2005，（03）：11-14.

［6］安士全，郭本青，张瑞.一种小型化超宽带功率放大器的设计［J］.中国电子科学研究院学报，2014，9（6）：639-642.

［7］周恩，张兴，吕召彪，等.下一代宽带无线通信OFDM与MMO技术［M］.北京：人民邮电出版社，2008.

［8］清华大学微带电路编写组.微带电路［M］.北京：人民邮电出版社，1976.

［9］ Lee Y S，Jeong Y H.A High-Efficiency Class-E GaN HEMT Power Amplifier for WCDMA Applications［J］. IEEE Microwave&Wireless Components Letters，2007，17（8）：622-624.

Design of LSW ideband Power Am p lifier Based on GaN Broadband HEMT

ZHAO Jia-min，ZHANG Rui，AN Shi-quan
（The 38thResearch Institute of CETC，Hefei230031，China）

Concerning the design goal of a wideband power amplifier working across 0.8-5 GHz，this paper proposes an available design methodology to select the optimal input and output impedance based on small signal S parameter，and realizes broadband matching using distributed components.Based on themethodology，using the GaN HEMT TGF2023-02 from TriQuint，simulation is performed and demo board is produced.The measurement results indicate that within 0.8 GHz-5 GHz，delivered power is higher than 39 dBm and the small signal gain is higher than 12 dB.Hence，themethodology iswell verified.

TGF2023；wideband matching，power amplifier；small signal

TN722.7+5

：A

：1673-5692（2015）06-642-04