3.8-4GHz微波功放的仿真设计

任健 胡文哲

（中国电子科技集团公司第三十六研究所 浙江省嘉兴市 314001）

1 前言

最近十几年来，电子设备固体化的浪潮已经席卷雷达，微波多路通讯，遥测，宇航和电子通信对抗等众多领域，并且取得了非常大的成就。众所周知，小功率电子管的地位几乎已经为晶体管所取代。在大功率领域，晶体管也逐步替代电子管的传统地位。六十年代中期以来，微波电路开始进入实用阶段，半导体器件和微带电路的结合，开创了微波理论和技术的新局面。功率放大器的发展也就趋向于小型化，集成性高，线性好，宽带化以及功率高电压低，以此做到整个放大模块可以集成化的同时功耗低，线性高，频段广。

微波频段在300M-300GHz之间，分为特高频、超高频和极高频三个频段。微波有其独特的特点：频段广阔，波长短，受外界干扰小。所以它是现代通讯比较集中的波段，有微波通信，波导通信。此外，微波电路还可应用在理疗设备，加热器，高速数据处理电路上等。S波段的频率范围是2～4GHz之间，虽然不是卫星通信经常使用的频率段，但它是5G毫米波通常覆盖的波段。现代通信和通信对抗技术的不断发展，就对这个频段的放大器提出了很高的要求，因此选用什么类型的晶体管就能影响整个功率放大器的性能以及指标。

2 微波晶体管

如何研制微带功率晶体管放大器中最重要也是最难的一个问题就是选用一款合适的晶体管，且这款晶体管要按照电路的设计要求并且符合实际的使用条件，那么为了得到较大的功率输出，我们就应该选择相对热阻小并且效率比较高且和输入输出电路都能相匹配的晶体管。众所周知通常我们都是利用在晶体管芯内制作合适阻值的发射极镇流电阻来达到平衡耗散功率在晶体管内部的分布，以此来减小热阻并且改善晶体管的热稳定性和效率，这就是我们选用合适晶体管的第一步。

当然在选用大功率晶体管时我们也应该注意晶体管的负载通常是由电容和电感构成的谐振回路，在实际工作中，电感两端产生的感应电动势将和电源电压叠加在一起施加在晶体管的发射极和集电极之间，因此晶体管的实际承受电压约超过电源电压值的一倍。这也是我们选择合适晶体管必不可少的条件之一。

接下来我们要在众多的晶体管中找出一款相对增益较大的，因为提高晶体管的增益就相当于是提高整个微波放大器的增益，较大增益的晶体管不但可以有效减少放大器放大的级数同时也有效地减少电路中其他元器件的数量，简化整个电路的结构，从而在制造工艺上也能减少成本，让微波放大器即使是在一个高频信号功率较小输入的时候也能较为理想的放大功率，从而得到我们的最终输出指标。

在使用晶体管时，通常需留有百分之二十的设计余量，尤其是晶体管的结温应当控制在最大额定值的百分之八十之内，因为晶体管绝大部分参数都和热状态息息相关。比如温度升高后晶体管的增益、输出功率以及效率都要下降。

现在设计功放一般都选用场效应管，它具有低噪声、输入阻抗高、没有二次击穿、较好的温度稳定性等优点。目前场效应管的材料通常都用使用砷化镓（GaAs）。砷化镓是微电子的基础材料，具有耐高温，高漂移速度，抗辐射和高电子饱和等特点，具有独特的优势。

3 微带线

微带线是在介质基片上的单一导体带构成的微波传输线，在微波功率放大电路中具有十分有效和便利性。其具有使用频带宽、体积小、重量轻、成本低和可靠性高等特点，但是功率容量较小，损耗稍大，为了增加微带线的功率容量，就必须选用介电常数高、损耗低的材料作为基片，导体应具备良好的稳定性、导电率高等特点。

4 微波功率放大器

在微波电路中微波功率放大器具有重要的应用，它的特点有：大功率输出，良好的非线性失真，较高的效率，还要全面考虑功放管的散热问题。在微波频率低端（2GHz以内），一般都是采用双极晶体管。在2GHz以上，场效应管是主流应用。

4.1 微波放大器的主要指标

放大电路的指标是在特定的偏置条件下S参数来决定的。主要的参数有：

（1）增益：功率增益GT定义为给负载的功率与信号源可用功率的比值。一般表示为：

或

工作功率增益定义为传输到负载的功率与网络的输入功率的比值，一般表示为：

可以用功率增益定义为网络的可用功率与信号源的可用功率的比值，一般表示为：

（2）平坦度（单位：dB）

（3）工作频率及带宽（单位：Hz）

（4）直流输入功率（单位：V和A）

（5）输入输出反射系数（VSWR）

（6）噪声系数：噪声系数是输入的端信噪比和输出端的信噪比的比值，是微波低噪声功率放大器最为重要的一项指标。

它的物理意义是小信号经过功率放大器放大之后，由于放大器产生了噪声，使信噪比变差，它下降的倍数就也是噪声系数。

（7）输出功率（单位：dBm）：

如图1所示。

图1

图1中是功率放大器输入输出功率的关系图。由图可见，在小信号区间功率的增益是基本不变的，此时输入功率和增益（Gpmax）是没有关系。随着信号的加大，增益就逐渐开始下降。通常把功率增益（Gpmax）下降1dB的点D称之为1dB压缩点（即Gp(1dB)），对应的输出功率称为1dB增益压缩点输出功率Po(1dB)。当输入功率超过Pi(1dB)之后，放大器便进入饱和工作区。此时的输出功率就是饱和输出功率。

其他还有三阶交调系数、谐波、电源效率、反馈、热效应等参数都都会严重影响到放大器的性能。

4.2 阻抗匹配的设计

图2为微波场效应晶体管放大器的原理图。中间有源器件表示微波场效应晶体管，输入匹配网络和输出匹配网络的作用是使微波晶体管的输入和输出变换到标准的50欧姆Z0，以获得阻抗匹配。

图2

阻抗匹配的设计是每一个功率放大器设计过程中最重要也是最困难的部分，如果在设计的阻抗匹配网络与晶体管匹配不好，那么整个放大电路都会产生失真从而降低整个电路的效率和不稳定性，就达不到我们最终所需要的输出功率。所以在设计功率的匹配电路时，我们要考虑驻波，带宽长短，匹配性好坏，谐波衰减，线性是否稳定等等指标。在设计功率放大器的输入匹配电路时，就要优先考虑输入驻波比的大小。同样在设计功率放大器的输出匹配电路时，就要优先考虑它的损耗大小，驻波比的大小，谐波抑制的大小，以及如何提高最终输出功率等问题。当然输入和输出匹配电路也是有相互影响的，合理的设计输入匹配电路才能在满足增益平坦度的指标的同时去满足输出功率的大小以及效率，每一级的匹配电路在级与级之间不但要考虑到间隔直流问题，还要一起实现增益的平坦性。

功率放大器需要较高的增益，就必须采用多级放大器级联得方式。这时就要考虑各级增益指标的分配，还应该考虑功率放大器的效率、线性度以及稳定性等。另外，为避免出现自激，每一级的偏置电源之间应当采用去耦电路，各级功率放大器及连接器还应具备较好的电磁屏蔽特性以及良好的接地。

5 用Agilent的微波仿真软件ADS设计一个S波段的微波功率放大器

功率放大器设计的技术指标如下：

工作频带范围：3.8～4GHz

增益：≥10dB

增益平坦度：-1～1dB

P-1：≥5 W

5.1 设计思路

5.1.1 管子选择

功放设计的第一步也是非常重要的一步就是晶体管的选择。对于上述要求的设计，选用三菱公司的MGFC36 V3742A场效应功放管。Ta=25deg. C, VDS=10V, IDS=1.2A时具体S参数如表1。

表1

功放管测试后参数如图3所示。

图3

5.1.2 阻抗匹配

如图4所示。

图4

参数如下：

由图5可知，3.8GHz-4GHz范围内，一端口和二端口的回波损耗都在-10dB以下，13.5dB＜S12＜14.5dB，由于S11和S22都大大小于S12，根据公式（2-5），基本可认为S12约等于功率增益，由图可知，增益大于10dB，增益平坦度小于1dB。在驻波方面，这个频率段范围内都小于2。

图5

查找器件参数后可知，1dB压缩点为8W，符合大于5 W的 要求。

6 测试结果

根据ADS仿真设计的结果，对设计的功放加工了实物，采用了0.5mm的聚四氟乙烯双面印制板，装配好模块后进行了调试优化，测试条件在VDS=10V，IDS=1.2A的情况下连续波输出能够达到5W以上，增益大于10dB，增益平坦度小于正负1dB，所有测试指标都满足了设计指标的要求。

7 结论

本文主要讲述通过ADS仿真软件并运用S参数来优化匹配电路，设计一款频率范围在3.8-4GHz的高平坦度和高增益的功率放大器，这在5G通信和军用通信对抗系统中具有良好的应用前景。在设计过程中，晶体管的选择是放大功率模块设计中极其重要的一环，或者可以说是最重要的一步，计算机辅助设计只是其中的一个环节，后续进一步的调试和测验也是至关重要的一部分。管子选择好，不但可以轻松达到指标，而且可以避免在实际的电路输入输出匹配和调试过程中走很多的弯路，最终达到对整个电路设计的优化目标。