摘? 要：針對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)匹配功率放大器在L波段及以下頻段匹配用鍵合線過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，采用微帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行替代，并通過(guò)優(yōu)化電路布局，縮小了電路尺寸;簡(jiǎn)化級(jí)間匹配電路，進(jìn)一步縮小電路尺寸;輸入匹配電路采用低端增益抑制電路，解決了低端增益過(guò)高的問(wèn)題。最終研制了一款1.2～1.4 GHz的功率放大器。測(cè)試結(jié)果表明在漏源電壓28 V、脈寬200 us、占空比20%狀態(tài)下，功率增益大于25 dB，輸出功率全部達(dá)到了80 W，功率平坦度為0.4 dB，功率附加效率大于70%，最高點(diǎn)達(dá)到了73%，而體積僅有14×10 mm。

關(guān)鍵詞：L波段;功率放大器;小型化

中圖分類(lèi)號(hào)：TN722? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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

隨著無(wú)線通信技術(shù)與電子信息技術(shù)的快速的發(fā)展，多種通訊模式和通信標(biāo)準(zhǔn)的多種通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，這給人們的工作以及生活帶來(lái)了極大的便捷。不管在民用還是軍用領(lǐng)域，都迫切要求集成多種電子系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)多功能工作，然而，在同一平臺(tái)集成多系統(tǒng)會(huì)造成設(shè)備體積、重量、成本大幅度的提高和可靠性的降低，因此電子系統(tǒng)特別是通信系統(tǒng)對(duì)小型化高效率的功率放大器的需求不斷增加。

傳統(tǒng)的內(nèi)匹配電路首先采用一階LCL預(yù)匹配電路（其中的L大多數(shù)情況下采用鍵合金絲實(shí)現(xiàn)），將功率管芯的阻抗適當(dāng)?shù)奶嵘⑷サ羝涮摬?，為后面的匹配?chuàng)造條件。然后利用功分器的形式進(jìn)行輸入輸出端口阻抗的匹配。然而要想增大功率放大器的功率輸出能力，就必須增加功率管芯的總柵寬，這將導(dǎo)致寄生電容的增大，進(jìn)而需要匹配用的電感就要很大以至于無(wú)法用鍵合金絲實(shí)現(xiàn)，這在L波段P波段甚至以下頻段尤為明顯。這就要求我們研究新的適用于L波段及以下頻段的匹配結(jié)構(gòu)，以提高功率放大器的性能[1-5]。

本文運(yùn)用傳輸線理論分析與CAD仿真技術(shù)相結(jié)合的方式，經(jīng)過(guò)理論分析與研究，提供了一種解決L波段匹配用鍵合金絲過(guò)長(zhǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，并簡(jiǎn)化了級(jí)間匹配電路，極大的縮小了電路尺寸，輸入匹配電路增加了低端增益抑制網(wǎng)絡(luò)，抑制了低端的增益，進(jìn)而提高了功率放大器的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)前述分析及設(shè)計(jì)，最終制作完成了一款L波段功率放大器，在漏源電壓28 V，在脈寬200 us，占空比20%狀態(tài)下，功率增益大于25 dB，輸出功率全部達(dá)到80 W，功率平坦度為0.4 dB，功率附加效率大于70%，最高點(diǎn)達(dá)到了73%。體積僅有13×10 mm。

1? 仿真與設(shè)計(jì)

1.1? L波段功率放大器輸出匹配的改進(jìn)電路

傳統(tǒng)的內(nèi)匹配功率放大器采用一階LCL將管芯阻抗提升至合適的實(shí)阻抗，然后再用四分之一波長(zhǎng)阻抗變換線，將阻抗匹配至50 歐姆。傳統(tǒng)內(nèi)匹配電路LCL電路示意圖如圖1所示。然而為了得到更大的功率輸出，就要增加管芯的總柵寬，柵寬的增加會(huì)使得寄生電容的增加，進(jìn)而匹配電路需要提供的匹配電感就會(huì)增加，這在L波段及以下頻段更加明顯，以至于無(wú)法用鍵合金絲實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)內(nèi)匹配結(jié)構(gòu)中LCL匹配電路，其中的L的等效電路模型可以用并聯(lián)電容C1、C2串聯(lián)電感L和串聯(lián)電阻R組成的低通網(wǎng)絡(luò)來(lái)表示。如圖2所示。

式中：μ0為空氣的導(dǎo)磁率;μr為金材料鍵合線的相對(duì)導(dǎo)磁率（對(duì)于金絲，μr=1）;δ為損耗因數(shù);ds與ρ分別為金材料鍵合線的趨膚深度和電阻率。

對(duì)于均勻傳輸線，其分布參數(shù)是均勻分布的，我們?cè)O(shè)線上每單位長(zhǎng)度上的串聯(lián)電阻為R1，串聯(lián)電感為L(zhǎng)1，并聯(lián)電導(dǎo)為G1，并聯(lián)電容為C1，根據(jù)電報(bào)方程及其具體等效電路，可以得出其分布參數(shù)電路的表達(dá)式。因?yàn)榭疾斓氖蔷鶆虻膫鬏斁€，故可以在線上任意點(diǎn)Z處取線元dz來(lái)研究，dz可以足夠短（dz遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)），這樣dz上的分布參數(shù)效應(yīng)可以用串聯(lián)阻抗z1dz和并聯(lián)導(dǎo)納y1dz的集總參數(shù)電路來(lái)等效，具體等效電路如圖3所示。

其中，R1、L1、G1、C1比與微帶的寬度長(zhǎng)度和形狀等有關(guān)，比較鍵合線和微帶線的等效電路及具體電阻、電感表達(dá)式，可以得出，只要選擇合適長(zhǎng)度和寬度的微帶線，就可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)匹配電路中的金絲電感，進(jìn)而解決在L波段以及以下頻段鍵合金絲過(guò)長(zhǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。并且通過(guò)優(yōu)化電路布局還可以縮小電路尺寸。

用傳統(tǒng)內(nèi)匹配結(jié)構(gòu)仿真L波段功率放大器，得到輸出端口匹配用金絲長(zhǎng)度為10 mm，這么長(zhǎng)的鍵合金絲是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，并且會(huì)占用很大的電路面積，應(yīng)用仿真軟件，通過(guò)調(diào)整微帶結(jié)構(gòu)的參數(shù)可以使其與鍵合金絲的頻率響應(yīng)接近一致。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

從仿真結(jié)果可以看出，在要求的工作頻段，微帶結(jié)構(gòu)鍵合金絲的頻率響應(yīng)接近一致。但是要是在較寬的頻率范圍內(nèi)完全代替金絲，就要增加微帶線的階數(shù)。

1.2? 放大器級(jí)間匹配電路的設(shè)計(jì)

多級(jí)放大器的級(jí)間匹配電路一般有以下功能：第一，級(jí)間匹配電路與輸入匹配電路一起實(shí)現(xiàn)平坦的增益特性;第二，具備兩級(jí)間的隔直流作用。射頻和微波功率放大器在工作時(shí)往往處于非線性的狀態(tài)，此時(shí)功率放大過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波分量，所以，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)一般除了起到阻抗變換作用，還應(yīng)該有適當(dāng)?shù)臑V波作用。很多時(shí)候，可以采用長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)的微帶線和電容元件的組合匹配，長(zhǎng)度為八分之一波長(zhǎng)的微帶線電容元件組合匹配或者傳輸線直接串接匹配等，有時(shí)候還采用多級(jí)的并聯(lián)導(dǎo)納匹配，T型網(wǎng)絡(luò)匹配、π型網(wǎng)絡(luò)匹配等。本文中為了盡量減小電路尺寸、適當(dāng)抑制帶外增益，采用簡(jiǎn)單的匹配方式。

1.3? 低端增益抑制電路及穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)

有源器件的增益隨著頻率的升高每倍頻程下降6 dB，所以放大器的帶外低端一般會(huì)出現(xiàn)不易消除的增益尖峰，本文中為了減小電路尺寸，級(jí)間匹配電路并未過(guò)多地考慮低端增益的抑制，而將低端增益的抑制主要放在功率較小的輸入匹配處。

微帶線的長(zhǎng)度L為L(zhǎng)=λ/4，其中λ為工作頻段高端的波長(zhǎng)。圖中分支線端口A點(diǎn)對(duì)高端頻率是開(kāi)路面，沒(méi)有微帶電流，在此處串聯(lián)電阻R對(duì)高端頻率沒(méi)有影響，而對(duì)工作頻率外的低端，A點(diǎn)不再是開(kāi)路面，因而有電流損耗，可以壓低低端增益。

功率放大器不穩(wěn)定的原因是輸出的信號(hào)通過(guò)晶體管內(nèi)部的寄生電容返回到功放的輸入端，或通過(guò)其他路徑如電源通路、腔體效應(yīng)等形成了正反饋，從而形成了自激。有些嚴(yán)重的情況下，甚至可能燒毀器件、組件和測(cè)試用的儀器和設(shè)備。所以功率放大器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一是對(duì)功率放大器進(jìn)行穩(wěn)定性分析，了解功放穩(wěn)定工作的條件，進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，就顯得十分有必要。

穩(wěn)定性是功率放大器最重要的指標(biāo)之一，如果輕微的擾動(dòng)就會(huì)使功率放大器產(chǎn)生自激震蕩輕則造成系統(tǒng)無(wú)法工作，重則會(huì)燒毀系統(tǒng)。造成不可估量的損失。

因此，在設(shè)計(jì)功率放大器的時(shí)候，重點(diǎn)關(guān)注了穩(wěn)定性指標(biāo)，對(duì)功率放大器的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)。使其在0～10 GHz的范圍內(nèi)均穩(wěn)定。

通過(guò)以上理論分析，用微帶線代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)匹配功放匹配用的鍵合金絲，應(yīng)用仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，匹配電路制作在介電常數(shù)為40的高介陶瓷上，最后金錫燒結(jié)于0.5 mm的鉬銅墊片上，第二階匹配電路制作與電路板上。

2? 性能測(cè)試

利用微波功率測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)改進(jìn)后的小型化L波段GaN功率放大器進(jìn)行微波功率性能的測(cè)量。如圖6所示，偏置條件設(shè)定為漏源電壓為28 V，柵源電壓為-3 V。在脈寬200 us，占空比20%條件下測(cè)試，在1.2～1.4 GHz的頻帶內(nèi)，輸出功率全部大于80 W，功率平坦度為0.4 dB，功率增益為25 dB，功率附加效率大于70%，最高點(diǎn)達(dá)到了73%。且仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相比較，差距較小，說(shuō)明這種設(shè)計(jì)方法完全能夠滿足功率放大器的設(shè)計(jì)精度要求，可以很好地指導(dǎo)功率放大器的設(shè)計(jì)。而其體積僅有14 mm×10 mm，可以很好的滿足小型化的要求，如圖7所示。

3? 結(jié)? 論

本文通過(guò)分析鍵合金絲與微帶線的等效電路模型，通過(guò)仿真軟件，用合適長(zhǎng)度和寬度的微帶線替代鍵合金絲，很好地解決了傳統(tǒng)內(nèi)匹配電路在L波段P波段及以下較低頻段鍵合金絲過(guò)長(zhǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，并由于鍵合金絲的變短，使用平面微帶電路可以通過(guò)合理優(yōu)化電路版圖布局，極大的縮小電路尺寸;另外，通過(guò)簡(jiǎn)化級(jí)間匹配電路，進(jìn)一步縮小電路尺寸;最后，輸入匹配采用低端增益抑制電路，壓低了帶外低端增益，提高了電路的穩(wěn)定性。最終實(shí)現(xiàn)了在1.2～1.4 GHz的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了80 W的功率輸出，功率增益達(dá)到了25 dB，功率附加效率達(dá)到了73%。電路尺寸僅有14×10 mm。因此采用此種方法可以有效解決L波段及以下頻段鍵合金絲過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，并可以極大地縮小電路尺寸，具有非常廣闊的工程應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：關(guān)統(tǒng)新（1987—），男，漢族，甘肅白銀人，工程師，碩士研究生，主要研究方向：GaN功率放大器。