一种适用于L波段小型化功率放大器的方案

摘  要：针对传统内匹配功率放大器在L波段及以下频段匹配用键合线过长的问题，采用微带结构进行替代，并通过优化电路布局，缩小了电路尺寸;简化级间匹配电路，进一步缩小电路尺寸;输入匹配电路采用低端增益抑制电路，解决了低端增益过高的问题。最终研制了一款1.2～1.4 GHz的功率放大器。测试结果表明在漏源电压28 V、脉宽200 us、占空比20%状态下，功率增益大于25 dB，输出功率全部达到了80 W，功率平坦度为0.4 dB，功率附加效率大于70%，最高点达到了73%，而体积仅有14×10 mm。

关键词：L波段;功率放大器;小型化

中图分类号：TN722          文献标识码：A文章编号：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

随着无线通信技术与电子信息技术的快速的发展，多种通讯模式和通信标准的多种通信系统应运而生，这给人们的工作以及生活带来了极大的便捷。不管在民用还是军用领域，都迫切要求集成多种电子系统以实现多功能工作，然而，在同一平臺集成多系统会造成设备体积、重量、成本大幅度的提高和可靠性的降低，因此电子系统特别是通信系统对小型化高效率的功率放大器的需求不断增加。

传统的内匹配电路首先采用一阶LCL预匹配电路（其中的L大多数情况下采用键合金丝实现），将功率管芯的阻抗适当的提升，并去掉其虚部，为后面的匹配创造条件。然后利用功分器的形式进行输入输出端口阻抗的匹配。然而要想增大功率放大器的功率输出能力，就必须增加功率管芯的总栅宽，这将导致寄生电容的增大，进而需要匹配用的电感就要很大以至于无法用键合金丝实现，这在L波段P波段甚至以下频段尤为明显。这就要求我们研究新的适用于L波段及以下频段的匹配结构，以提高功率放大器的性能[1-5]。

本文运用传输线理论分析与CAD仿真技术相结合的方式，经过理论分析与研究，提供了一种解决L波段匹配用键合金丝过长无法实现的问题，并简化了级间匹配电路，极大的缩小了电路尺寸，输入匹配电路增加了低端增益抑制网络，抑制了低端的增益，进而提高了功率放大器的稳定性。经过前述分析及设计，最终制作完成了一款L波段功率放大器，在漏源电压28 V，在脉宽200 us，占空比20%状态下，功率增益大于25 dB，输出功率全部达到80 W，功率平坦度为0.4 dB，功率附加效率大于70%，最高点达到了73%。体积仅有13×10 mm。

1  仿真与设计

1.1  L波段功率放大器输出匹配的改进电路

传统的内匹配功率放大器采用一阶LCL将管芯阻抗提升至合适的实阻抗，然后再用四分之一波长阻抗变换线，将阻抗匹配至50 欧姆。传统内匹配电路LCL电路示意图如图1所示。然而为了得到更大的功率输出，就要增加管芯的总栅宽，栅宽的增加会使得寄生电容的增加，进而匹配电路需要提供的匹配电感就会增加，这在L波段及以下频段更加明显，以至于无法用键合金丝实现。

传统内匹配结构中LCL匹配电路，其中的L的等效电路模型可以用并联电容C1、C2串联电感L和串联电阻R组成的低通网络来表示。如图2所示。

式中：μ0为空气的导磁率;μr为金材料键合线的相对导磁率（对于金丝，μr=1）;δ为损耗因数;ds与ρ分别为金材料键合线的趋肤深度和电阻率。

对于均匀传输线，其分布参数是均匀分布的，我们设线上每单位长度上的串联电阻为R1，串联电感为L1，并联电导为G1，并联电容为C1，根据电报方程及其具体等效电路，可以得出其分布参数电路的表达式。因为考察的是均匀的传输线，故可以在线上任意点Z处取线元dz来研究，dz可以足够短（dz远小于波长），这样dz上的分布参数效应可以用串联阻抗z1dz和并联导纳y1dz的集总参数电路来等效，具体等效电路如图3所示。

其中，R1、L1、G1、C1比与微带的宽度长度和形状等有关，比较键合线和微带线的等效电路及具体电阻、电感表达式，可以得出，只要选择合适长度和宽度的微带线，就可以代替传统内匹配电路中的金丝电感，进而解决在L波段以及以下频段键合金丝过长无法实现的问题。并且通过优化电路布局还可以缩小电路尺寸。

用传统内匹配结构仿真L波段功率放大器，得到输出端口匹配用金丝长度为10 mm，这么长的键合金丝是无法实现的，并且会占用很大的电路面积，应用仿真软件，通过调整微带结构的参数可以使其与键合金丝的频率响应接近一致。仿真结果如图4、图5所示。

从仿真结果可以看出，在要求的工作频段，微带结构键合金丝的频率响应接近一致。但是要是在较宽的频率范围内完全代替金丝，就要增加微带线的阶数。

1.2  放大器级间匹配电路的设计

多级放大器的级间匹配电路一般有以下功能：第一，级间匹配电路与输入匹配电路一起实现平坦的增益特性;第二，具备两级间的隔直流作用。射频和微波功率放大器在工作时往往处于非线性的状态，此时功率放大过程中会产生大量的谐波分量，所以，输入匹配网络和输出匹配网络一般除了起到阻抗变换作用，还应该有适当的滤波作用。很多时候，可以采用长度为四分之一波长的微带线和电容元件的组合匹配，长度为八分之一波长的微带线电容元件组合匹配或者传输线直接串接匹配等，有时候还采用多级的并联导纳匹配，T型网络匹配、π型网络匹配等。本文中为了尽量减小电路尺寸、适当抑制带外增益，采用简单的匹配方式。

1.3  低端增益抑制电路及稳定性的设计

有源器件的增益随着频率的升高每倍频程下降6 dB，所以放大器的带外低端一般会出现不易消除的增益尖峰，本文中为了减小电路尺寸，级间匹配电路并未过多地考虑低端增益的抑制，而将低端增益的抑制主要放在功率较小的输入匹配处。

微带线的长度L为L=λ/4，其中λ为工作频段高端的波长。图中分支线端口A点对高端频率是开路面，没有微带电流，在此处串联电阻R对高端频率没有影响，而对工作频率外的低端，A点不再是开路面，因而有电流损耗，可以压低低端增益。

功率放大器不稳定的原因是输出的信号通过晶体管内部的寄生电容返回到功放的输入端，或通过其他路径如电源通路、腔体效应等形成了正反馈，从而形成了自激。有些严重的情况下，甚至可能烧毁器件、组件和测试用的仪器和设备。所以功率放大器设计的重点之一是对功率放大器进行稳定性分析，了解功放稳定工作的条件，进行稳定性设计，就显得十分有必要。

稳定性是功率放大器最重要的指标之一，如果轻微的扰动就会使功率放大器产生自激震荡轻则造成系统无法工作，重则会烧毁系统。造成不可估量的损失。

因此，在设计功率放大器的时候，重点关注了稳定性指标，对功率放大器的稳定性进行了分析与设计。使其在0～10 GHz的范围内均稳定。

通过以上理论分析，用微带线代替传统内匹配功放匹配用的键合金丝，应用仿真软件对电路进行仿真设计，匹配电路制作在介电常数为40的高介陶瓷上，最后金锡烧结于0.5 mm的钼铜垫片上，第二阶匹配电路制作与电路板上。

2  性能测试

利用微波功率测试系统，对改进后的小型化L波段GaN功率放大器进行微波功率性能的测量。如图6所示，偏置条件设定为漏源電压为28 V，栅源电压为-3 V。在脉宽200 us，占空比20%条件下测试，在1.2～1.4 GHz的频带内，输出功率全部大于80 W，功率平坦度为0.4 dB，功率增益为25 dB，功率附加效率大于70%，最高点达到了73%。且仿真结果与实测结果相比较，差距较小，说明这种设计方法完全能够满足功率放大器的设计精度要求，可以很好地指导功率放大器的设计。而其体积仅有14 mm×10 mm，可以很好的满足小型化的要求，如图7所示。

3  结  论

本文通过分析键合金丝与微带线的等效电路模型，通过仿真软件，用合适长度和宽度的微带线替代键合金丝，很好地解决了传统内匹配电路在L波段P波段及以下较低频段键合金丝过长无法实现的问题，并由于键合金丝的变短，使用平面微带电路可以通过合理优化电路版图布局，极大的缩小电路尺寸;另外，通过简化级间匹配电路，进一步缩小电路尺寸;最后，输入匹配采用低端增益抑制电路，压低了带外低端增益，提高了电路的稳定性。最终实现了在1.2～1.4 GHz的带宽内实现了80 W的功率输出，功率增益达到了25 dB，功率附加效率达到了73%。电路尺寸仅有14×10 mm。因此采用此种方法可以有效解决L波段及以下频段键合金丝过长的问题，并可以极大地缩小电路尺寸，具有非常广阔的工程应用前景。

参考文献：

[1] 余振坤，刘登宝.S波段宽带GaN芯片高功率放大器的应用研究 [J].微波学报，2011，27（2）：68-71.

[2] Ui N，Sano S.A 100W class-E GaN HEMT with 75% Drain Efficiency at 2 GHz [C]//2006 European Microwave Integrated Circuits Conference.Manchester：IEEE，2006：72-74.

[3] Mitani E，Aojima M，Sano S.A kW-class AlGaN/GaN HEMT Pakket Amplifier for S-band High Power Aoolication [C]//2007 European Microwave Integrated Circuit Conference.Munich：IEEE，2007：176-179.

[4] 孙春妹，钟世昌，陈堂胜，等.Ku波段20WAlGaN/GaN功率管内匹配技术研究 [J].电子与封装，2010，10（6）：23-25+38.

[5] 余振坤，郑新.SiC宽禁带功率器件在雷达发射机中的应用分析 [J].微波学报，2007（3）：61-6

作者简介：关统新（1987—），男，汉族，甘肃白银人，工程师，硕士研究生，主要研究方向：GaN功率放大器。