基于GaN管芯的LS波段寬帶功率放大器的設計【轉發】

2017-08-07 by:CAE仿真在線來源:互聯網

今日薦文

今日薦文的作者為中國電子科技集團公司第38研究所專家趙家敏,張瑞,安士全。本篇節選自論文《基于GaN管芯的LS波段寬帶功率放大器的設計》,發表于《中國電子科學研究院學報》第10卷第6期。下面和小編一起開始學習吧~

引言

微波功率放大器是雷達、衛星、導航、通信、電子對抗等設備中重要的組成部分,功放的性能直接影響整個電子設備的性能。隨著科技的發展,要求功放輕質化、小型化、超寬帶、高能量密度、高可靠性。TriQuint公司的TGF2023管芯由于價格低、頻帶寬(達18GHz)、輸出功率大等優點,具有很大的發展和應用空間,但該系列管芯沒有對外公開大信號模型和靜態I-V曲線,寬帶匹配電路設計相對復雜。

本文探討了一種寬帶功放的設計方法,利用小信號S參數法進行管芯的輸入輸出阻抗匹配,設計了一款0.8-5G的寬帶功率放大器,并通過實物測試驗證了設計方法的可行性。

1. 功放設計方法

微波器件在小信號工作時,被認為在線性狀態,是一個線性網絡;在大信號工作時,工作在非線性狀態,是一個非線性網絡。對于兩種工作狀態,適用于不同的分析方法。

(1)小信號S參數法:小信號參數是入射波和反射波建立的一組線性關系,在微波電路中用來分析和描述網絡的輸入輸出特性。利用小信號參數進行仿真,將電路視為一個四端口網絡,在工作點上將電路線性化,通過特定的算法,分析出小信號增益、線性噪聲參數、傳輸阻抗等。

(2)非線性分析法:在得到器件的大信號模型的情況下,利用ADS(Advanced Design System)軟件中的諧波平衡仿真器,可以仿真出噪聲系數、飽和電平、三階交調、本振泄露、鏡像抑制、中頻抑制等參數。諧波平衡仿真器著眼于信號頻域特性,擅長處理非線性電路的分析。

(3)負載牽引法:在沒有小信號參數和大信號模型的情況下,可以利用負載牽引設備,在滿足功率管均衡效率和功率下牽引出輸入、輸出阻抗,再進行匹配電路設計。但該儀器價格比較昂貴,只有專業設計生產功率管子的廠家才會配備。除了高線性的功率放大器外,大部分的功放是工作在大信號狀態下的,屬于非線性器件。

一般而言,設計師應該使用大信號模型進行射頻電路設計,但是在很多情況下,設計師很難得到大信號模型,器件廠商只提供了功率器件的小信號參數。采用小信號參數,進行功率器件的輸入輸出電路匹配設計,以得到較高的增益和良好的駐波特性,后期對實物進行調試,同樣可以得到性能良好的功放電路。

2. 小信號S參數法設計寬帶功率放大

TriQuint公司的TGF2023-02管芯做功放模塊,該管芯既沒有大信號模型,也無靜態I-V曲線,僅在產品中給出了漏級電壓28V,靜態電流250mA下的小信號S參數,本文首先依據小信號S參數進行了功放的穩定性分析,然后對輸入輸出阻抗進行參數提取,最后利用輸入輸出阻抗做匹配優化設計。

功放的穩定性是保證設備安全可靠運行的必要條件,在現實應用中,存在信號源阻抗或負載阻抗與射頻放大器網絡不匹配,產生反射形成自激而造成設備的損壞。進行功放的穩定性分析,防止放大器自激,避免不必要的損失。TGF2023管芯增益高,在輸入端置一衰減器使管芯工作在穩定狀態,如圖1進行功放的穩定性分析,圖2結果顯示,穩定性因子>1。

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圖1. 功放穩定性分析

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圖2.穩定性曲線

如圖3所示,依據ADS軟件中S-Parameters功能進行TGF2023-02管芯輸入輸出阻抗的提取,在圖4的Smith Chart標示出整個帶寬內阻抗變化的趨勢,從Smith Chart中可以看出輸出阻抗在整個頻段內變化不大,輸入阻抗實部變化不大,因此該功率管適合做寬帶電路。根據寬帶匹配電路保高放低的原則,選擇靠近這條曲線中段偏高頻點作為最佳負載匹配點能夠在0.8~5GHz內較好地達到效率、帶寬折中的目的。

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圖3.S參數提取

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圖4. Smith Chart

在微波功率放大器的匹配電路設計中可以選擇集總元件,也可以選擇分布參數的微帶線,為了達到低損耗、易加工、易調試、寬帶寬的目的,設計的匹配電路采用微帶開路短截線、短路短截線等分布參數進行電路匹配設計。將圖4掃描出的阻抗參數利用ADS軟件中的DAC(Data Access Component)插件進行輸入、輸出阻抗匹配設計。

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圖5 輸入阻抗匹配設計

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圖6 輸出阻抗匹配設計

在對輸入輸出電路匹配后進行整體仿真,綜合考慮功率放大器的增益、帶內平坦度、駐波等,對電路進行優化設計,如圖7所示。利用ADS軟件的優化功能對電路整體仿真的結果如圖8所示,由于GaN管芯本身的特性,0.8~2GHz頻帶內增益大于14dB,2~5GHz頻帶內,增益大于12dB,2~5GHz頻帶內增益起伏±1dB,整個頻段內,駐波<1.5。

圖7.電路整體優化仿真

圖8. 仿真結果

3 實驗結果與分析

在完成電路的ADS仿真,投產加工并進行測試。仿真使用的介質板材Rogers公司的RT5880,介電常數2.3,厚度0.254mm。加工出的電路實物圖,如圖10所示,實際電路尺寸30mm*10mm。

在漏壓28V,柵壓-2.8V,漏級靜態電流60mA,對電路進行測試。首先使用矢量網絡分析儀進行小信號增益掃描,增益掃描結果如圖11所示,0.8~2GHz頻帶內增益大于14dB,2~5GHz頻帶內,增益大于12dB,實測小信號增益與圖8仿真結果一致。圖12時在0.8~5GHz的頻帶范圍內壓縮1dB下輸出功率隨頻率的變化范圍,由圖可以看出,整個頻帶內飽和輸出功率大于39dBm,輸出功率起伏<1dB。