GaN超短波宽带放大器的仿真研究

2022-09-14王光旭任娟慧

电子制作 2022年17期

王光旭，任娟慧

（1.成都航空职业技术学院，四川成都，610100；2.四川省高等学校校企联合“航空电子技术”应用技术创新基地，四川成都，610100）

0 引言

超短波通信一直是军事领域应用范围中很重要的一项内容，在军用舰船通信、舰机通信中占有不可取代的地位。在军用舰船、陆军指挥电台、民航飞机中，为了减少设备的体积，减少电磁干扰等目的，超短波通信往往采用多部电台共用一套天线的结构。超短波战术跳频电台发射系统框图如图1所示。在VHF超短波跳频通信中，四部电台通过耦合器共用同一副天线。由于其特殊的应用领域，要求发射机核心部件功率放大器等部分具有高效率、宽带化、通用性等特点[1~2]。

图1 VHF战术跳频电台发射系统框图

功率放大器是整个发射机系统中的核心模块，处于发射机的末级，功放指标直接决定了整个系统的成败。由于功放所消耗的能量最高占整个发射系统的80%，所以高效率功率放大器也一直是重要的研究方向[3~4]。

目前超短波电台发射机功放单元主要采用GaAs或LDMOS为材料的第二代场效应管半导体元件为主。目前超短波短波全固态发射机已经发展完善，未来发展的目标是进一步提高增益、效率的超短波功率放大器的应用。GaN功率管具有高增益、高效率、宽频带的特点，吸引了工程人员的重视。在军事和民用无线通信领域引入使用GaN功放管，提高了原通信系统的指标。利用最新的第三代器件GaN半导体来设计发射机的功放单元，可进一步优化发射机的综合指标[5~6]。

1 技术指标

利用GaN场效应管设计一款适用VHF跳频通信的宽带放大器，进一步提高发射机的工作带宽与效率。首先确定发射链路技术指标，功放电路结构、芯片选择、外围元件参数的选取，需要根据这些指标来确定。

拟定的技术指标如下：

频率：88-110MHz；

功率：≥40dBm（10W），CW信号；

效率：≥50% ；

增益：≥30dB ；

增益平坦度：≤1.5dB ；

驻波比：VSWR≤1.5；

谐波抑制：≤-80dBc。

2 整体设计方案

根据拟确定的技术指标和目前射频器件的功率等级，单级功率放大器的增益等级无法直接满足 10W功率输出要求，本课题拟采用多两级功放串联级联的设计方案。

总体设计方案如图2所示，第一级采用集成小信号功放模块，实现20dB增益，第二级为功率放大器，实现10dB增益。

图2 功放总体方案

完整功率放大器设计步骤通常有[7~8]:

(1)安装DesignKit模型；(2)直流DC扫描；(3)稳定性K分析；(4)负载牵引Load-Pull；(5)源牵引Soure-Pull；(6)Smith圆图匹配；(7)偏置设计Bias Design;(8)小信号S参数仿真；(9)大信号HB仿真；(10)原理图优化。

一般使用 EDA 仿真软件ADS等进行电路的理论设计。功率放大芯片一般工作在非线性状态，其设计方法与电路结构比小信号放大器复杂。对于ADS仿真软件中使用的模型可以从厂商网站下载，厂商一般同时给出小信号S参数模型和大信号模型，工程师可以利用模型对芯片进行稳定性、匹配电路、偏置电路以及综合电路方案验证与仿真设计。

3 设计步骤

■ 3.1 晶体管选择

电路第一级主要完成信号驱动，为末级功放提供足够的输入功率。根据电路最初设计指标，要求第一级提供20dB的增益，将输入10dBmW的射频信号放大到30dBmW。第一级一般采用A类线性功放或单片微波集成电路MMIC模块。目前各微波器件厂商提供了大量高线性、高线性的微波集成模块MMIC。一般工程应用中，小信号放大可以直接采用MMIC模块。

综合主流厂家的产品，第一级选用Qorvo公司的AH101，是一款中等功率增益块，动态范围50~1500 MHz。单电源供电、内部自匹配的特性使其适用于宽带应用。实际应用中只需要直流电源和旁路电容以及射频扼流圈。AH101模块的电路图如图3所示。

图3 AH101功放电路原理图

第二级采用GaN功放芯片，设计独立式功放电路。目前GaN功放芯片主要以国外厂商为主，国内少量厂家提供的产品，尚未形成完成的软硬件支撑服务。综合以上因素考虑，第二级功放器件选用Cree公司的CG2H40010，它是一款性能优秀的氮化镓 (GaN) 高电子迁移率晶体管 (HEMT)。参考数据手册可知CG2H40010工作电压28 V，支持工作频率范围为 DC~6GHz，芯片的大信号增益为13dB，最大饱和功率可以达到10W，可以提供通用的各种射频和微波应用宽带解决方案。GaN HEMT具备高效率、高增益和宽带宽的能力使CG2H40010非常适合线性和压缩放大器电路。该芯片的增益、工作频段、输出功率等指标均符合方案要求。

■ 3.2 CG2H40010静态工作点的选择

功放电路设计的第一步，就是需要确定CG2H 40010 的静态工作点。静态工作点直接决定了功放的工作类型。首先确定末级功放管期望的工作类型，本设计拟定的功放工作类型为B类。将放大器的仿真模型导入到ADS软件的直流扫描模板中，得到的仿真结果，如图4所示。参考 data sheet 中给出的典型漏极和栅极电压偏置值，漏极电压工作在 28V ，栅极偏压可以在（-5～0V）扫描以确定合适的静态工作点。

图4 静态仿真结果

结合仿真结果，本设计中晶体管的静态工作点设定为漏极电压 Vds=28V和栅极电压Vgs=-2.7V。

■ 3.3 输入匹配和输出匹配设计

在 ADS中用到的Source-pull与Load-pull 技术主要是软件中的单音负载牵引仿真控件以及单音源牵引仿真控件来获取频点阻抗值，并可以同时得到等功率圆与等效率圆。在做阻抗扫描时需要设置扫描区域的圆心与半径，将初次仿真的源阻抗值代入至负载牵引的原理图中，再次仿真后将将初次仿真的源阻抗值代入至负载牵引的原理图中，再次仿真后将。阻抗牵引的结果如图5所示。

图5 阻抗牵引仿真结果

从图2所示，选取输出和输入端最优阻抗值分别为ZLopt= (20 +j× 3.8)Ω和ZSopt= (5.5 +j× 3.8)Ω。最优ZLopt 和ZSopt确定之后，就可以进行匹配网络的设计了。匹配网络是功放设计的重点，匹配效果不好，会造成较大的反射，甚至烧毁功放器件。本文对于驱动级和末级功放的输出输入端口都共轭匹配到阻抗值50Ω，从而保证放大器在工作频段范围内，输出功率能达到 40dBm 并具有高效率。

匹配网络的设计涉及到匹配结构和匹配网络内部的元件参数。超短波频段的匹配一般采用集中参数的LC电路。在ADS中插入史密斯原图匹配控件，采用共轭匹配，利用史密斯原图匹配到标准的50Ω。经匹配设计后的电路原理总图如图6所示。

图6 电路原理总图

■ 3.4 S参数与HB 仿真

对于匹配后的总体电路，一般还需要经过S参数与HB仿真。S参数仿真可以得到放大电路的小信号S参数。我们还需要进一步分析功放电路的非线性特性，即大信号状态下的电路工作效果，这时谐波平衡法（Harmonic Balance, HB)仿真。谐波平衡仿真分析速度快、准确性高，仿真其增益、效率和谐波等性能参数，借此分析设计结果与需求指标的符合度，广泛应用于仿真射频与微波电路[9~10]。电路总图的仿真结果如图7所示。

如图7(a)所示，在80~110MHz频率范围内，中心频率100MHz处，增益S21 达到24dB。对大信号功放芯片S21具有一定的参考意义。功放的增益主要在23~25dB之间。图7(b)所示谐波平衡（HB)仿真频率扫描结果显示在工作频段范围内，各频点增益G大于13dB，满足了设计指标的13dB, 效率大于50%。图7(c)所示为单音信号输出基波和谐波频谱图，基波的频谱代表信号的输出功率，可以看出信号输出功率大于40dBmW，二次谐波的功率在20dBm以下，也满足了额定功率10W的设计要求。