可變增益的功率放大器單片微波集成電路

根據(jù)電壓控制增益電路理論及放大器設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)制作了一種基于GaAs工藝的可變增益功率放大器單片微波集成電路( MMIC)。采用電路仿真ADS軟件進(jìn)行了原理圖及版圖仿真，研究了增益控制電路在放大器中的位置對性能的影響。最終實(shí)現(xiàn)了在6～9GHz頻率范圍內(nèi)，1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率大于33 dBm，當(dāng)控制電壓在－1～0 V之間變化時(shí)，放大器的增益在5～40dB之間變化，增益控制范圍達(dá)到了35 dB。將功率放大器與增益控制電路制作在同一個(gè)單片集成電路上，面積僅為3.5 mm×2.3 mm，具有靈活易用、集成度高和成本低的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信和數(shù)字微波通信等領(lǐng)域。

甚小口徑終端(verysmall aperture terminal，VSAT)和數(shù)字微波通信(也稱P2P通信)系統(tǒng)為商用微波無線信息傳輸系統(tǒng)，具有覆蓋范圍大、集成化程度高、對所有地點(diǎn)提供相同的業(yè) 務(wù)種類和服容性好、擴(kuò)容成本低、所需時(shí)間短、通信質(zhì)量好和安裝方便的特點(diǎn)。

功率放大器是微波無線信息傳輸系統(tǒng)的核心元器件，其性能直接影響發(fā)射機(jī)的作用半徑、線性特性以及整個(gè)系統(tǒng)的效率，它通常是系統(tǒng)中成本最高的元器件。當(dāng)代微波無線信息傳輸系統(tǒng)小型化的趨勢越來越明顯，這就要求元器件的集成度越來越高。

國外開展商用單片功率放大器研究較早，其中日本Eudyna公司的產(chǎn)品性能較佳，占領(lǐng)的市場份額最大，美國Hittite公司和Triquint公司也在近兩年推出了相應(yīng)的產(chǎn)品。中國在GaAs材料生長和器件研制方面也積極開展了相關(guān)的研究工作。

由于該功率放大器應(yīng)用于商用領(lǐng)域，所以對其性能和成本都有較高的要求，本文通過電路設(shè)計(jì)，將常規(guī)功率放大器的功能進(jìn)行擴(kuò)展，增加增益控制功能，能夠在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化的同時(shí)，降低成本，同時(shí)，不會(huì)影響功率放大器的輸出功率和效率等相關(guān)指標(biāo)。

本文采用目前制作微波單片集成電路成熟的GaAs贗高電子遷移率晶體管(PHEMT)工藝進(jìn)行多功能功率放大器的研制，其工藝穩(wěn)定，成品率高，在縮短研發(fā)周期和降低成本方面具有不可替代的地位。本文研制 的多功能功率放大器單片集成電路的面積與同樣指標(biāo)的功率放大器面積一樣，約為8 mm²，傳統(tǒng)室外單元的電壓控制可變衰減器(VVA)的面積約為1.7mm²，可見文中的多功能功率放大器將芯片面積節(jié)省了17.5%，有利于系統(tǒng)的小型化和成本的降低。

1 增益控制電路的設(shè)計(jì)原理

增益控制電路的作用是通過改變控制電壓，達(dá)到改變放大器增益的目的。增益控制電路在放大器中的位置至關(guān)重要，若放置于放大器的末級，會(huì)由于自身的損耗而影響輸出功率，放置于中間，會(huì)使放大器的中間級因無法將末級推飽和，從而影響效率。通過以上分析，將增益控制電路放置于放大器的第一級。

增益控制電路的原理如圖1所示，由兩個(gè)場效應(yīng)晶體管組成，F(xiàn)ET₁的漏極與FET₂的源極連接在一起，射頻信號從FET₁的柵極輸入，從FET₂的漏極輸出。圖1中:V_c為控制電壓;V_gs為柵壓;V_dd為漏壓;V₁表示兩個(gè)FET連接點(diǎn)的電壓;I_ds為FET₁和FET₂的漏極到源極的電流，圖1中FET₁的源極和FET₂的漏極連接于同一節(jié)點(diǎn)，所以I_ds同時(shí)流經(jīng)FET₁和FET₂。該電路通過改變V_c的電壓值來改變增益。

圖1 增益控制電路拓?fù)鋱D