基于GaN管芯的LS波段宽带功率放大器的设计【转发】

2017-08-07 by:CAE仿真在线来源:互联网

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今日荐文的作者为中国电子科技集团公司第38研究所专家赵家敏,张瑞,安士全。本篇节选自论文《基于GaN管芯的LS波段宽带功率放大器的设计》,发表于《中国电子科学研究院学报》第10卷第6期。下面和小编一起开始学习吧~

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。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18GHz)、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: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。

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28V,静态电流250mA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。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。

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图1. 功放稳定性分析

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图2.稳定性曲线

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0.8~5GHz内较好地达到效率、带宽折中的目的。

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图3.S参数提取

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图4. Smith 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。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。

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图5 输入阻抗匹配设计

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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,0.8~2GHz频带内增益大于14dB,2~5GHz频带内,增益大于12dB,2~5GHz频带内增益起伏±1dB,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0.254mm。加工出的电路实物图,如图10所示,实际电路尺寸30mm*10mm。

在漏压28V,栅压-2.8V,漏级静态电流60mA,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,0.8~2GHz频带内增益大于14dB,2~5GHz频带内,增益大于12dB,实测小信号增益与图8仿真结果一致。图12时在0.8~5GHz的频带范围内压缩1dB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39dBm,输出功率起伏<1dB。