基于FLM3135-18F的S波段微波功率放大器設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　S波段微波功率放大器是雷達(dá)發(fā)射機(jī)、無線通信、 測(cè)量設(shè)備等系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。微波功放的增益、輸出功率、非線性等參數(shù)直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能。S波段微波功率放大器研制的核心是大信號(hào)工作條件下功率放大器 的輸入輸出寬帶匹配電路的設(shè)計(jì)。大功率功率放大器的輸出阻抗很低，一般在5 Ω以下，因而匹配電路的阻抗變換比很大，導(dǎo)致直接設(shè)計(jì)寬帶匹配電路困難。同時(shí)，功放的交調(diào)、諧波等非線性也與其匹配電路有關(guān)，電路設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮。

　　微波功率放大器關(guān)鍵在于輸入輸出匹配電路的設(shè)計(jì)。其功放匹配電路的設(shè)計(jì)可以采用近似線性的動(dòng)態(tài)阻抗匹配、大信號(hào)S參數(shù)方法仿真，也可用諧波平衡法等非線性方法仿真。本文介紹了一種基于具有阻抗內(nèi)匹配性質(zhì)的場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)計(jì)的S波段功放，無需設(shè)計(jì)匹配電路，減少了優(yōu)化設(shè)計(jì)的功放模塊，因此縮短了研發(fā)周期，降低了設(shè)計(jì)成本，提高了技術(shù)指標(biāo)。

　　2 功率放大器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)組成及原理

　　功率放大器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)決定了其組成結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)線性功放設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于交調(diào)。分析三階交調(diào)特性，忽略放大器的記憶性，其傳輸特性可用三階泰勒公式近似表示為：

　　式中：Vout(t)為功放的輸出電壓，Vin(t)為功放的輸入電壓。當(dāng)輸人為雙音信號(hào)，即Vin=A1cosω1t+A2cosω2t時(shí)， 除了放大信號(hào)的頻率分量ω1和ω2，放大器還產(chǎn)生落在頻帶內(nèi)三階交調(diào)分量2ω1-ω2和2ω2-ω1，令A(yù)1=A2=4，代入式(1)，可得：

　　式中：IM3即三階交調(diào)。三階交調(diào)分量一般無法用濾波器濾除，必須選擇合適的放大器和設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)钠ヅ潆娐?。由?2)可以看出，功放的輸人功率增加3dB，而三階交調(diào)則回退6 dB。

　　選用FLM3135-18F單級(jí)增益為10 dB～15 dB，為了滿足指標(biāo)所提出的25 dB，必須級(jí)聯(lián)放大器。級(jí)聯(lián)放大器的驅(qū)動(dòng)級(jí)對(duì)末級(jí)輸出的三階交調(diào)由下式計(jì)算可得：

　　式中：dIM3是驅(qū)動(dòng)放大器的IM3引人的功放輸出IM3的變化量;IM3(driver)和IM3(final)分別表示驅(qū)動(dòng)放大器和末級(jí)放大器的IM3(dBc)。

　　因此，由式(3)可得：

　　2.2 FLM3135-18F簡(jiǎn)介

　　砷化鎵FET不僅用于小信號(hào)放大，還可用于功率放大器，其工作頻率可擴(kuò)展至毫米波段，組合多個(gè)單一器件實(shí)現(xiàn)較大的輸出功率。確定FET的輸出功 率容量取決于3個(gè)因素：漏-柵擊穿電壓，最大溝道電流和熱特性。要得到大的輸出功率除了上述3個(gè)因素外，還應(yīng)避免引入阻性和容性參量，增大柵寬可任意增加 溝道電流，但增大柵寬將增大許多寄生參量，特別是增加?xùn)旁措娙莺蜄烹娮瑁@樣增益將會(huì)隨柵寬增大而減少，因此，功率FET的功率增益較低，實(shí)際工作的FET功率放大器在進(jìn)入飽以及1 dB起，增益則更低。另外漏極串聯(lián)電阻和源極電感的存在均使功率增益下降。

　　FLM3135-18F是FUJITS公司生產(chǎn)的工作頻帶為3.1 GHz～3.5 GHz的微波場(chǎng)效應(yīng)管，內(nèi)部集成有匹配的輸入輸出阻抗網(wǎng)絡(luò)。在50 Ω系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)通信頻帶內(nèi)可產(chǎn)生較理想的功率和增益。LM3135-18F的基本性能參數(shù)如表1所列。

　　2.3 第一級(jí)驅(qū)動(dòng)放大器的設(shè)計(jì)

　　S波段FET的功率增益和集成功率放大器的增益一般為8 dB～12 dB，為滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的輸出功率要求，末級(jí)功放需加前級(jí)驅(qū)動(dòng)放大。驅(qū)動(dòng)放大器不僅要有足夠的帶寬、增益和輸出功率，同時(shí)還要有足夠高的線性度不至于對(duì)系統(tǒng) 的交調(diào)、諧波產(chǎn)生影響。由式(4)可知，為使驅(qū)動(dòng)級(jí)對(duì)總體的交調(diào)指標(biāo)影響小于1 dB，在輸出回退6 dB的測(cè)試條件下，IM3應(yīng)小于-53 dBc。主要采取了兩種措施保證其線性度：一是驅(qū)動(dòng)放大工作在A類放大器。A類放大器的線性最好，不會(huì)引入大失真，同時(shí)工作在A類放大器的功率場(chǎng)效應(yīng)管一 般輸入輸出阻抗Q值低，易于寬帶匹配;二是選用輸出功率大于所需功率的高線性GaAs功率放大管，采取冗余設(shè)計(jì)。

　　驅(qū)動(dòng)級(jí)放大管選用Motorola公司的1 W GaAsFET。放大器的匹配電路采用微帶線和高Q值陶瓷電容的半集總電路形式，仿真用S參數(shù)近似GaAsFET的特性，然后再調(diào)整輸出匹配電路。實(shí)際測(cè) 得輸出24 dBm，驅(qū)動(dòng)放大器的IM3小于-60 dBc，基本不影響系統(tǒng)的輸出頻譜。圖1所示是驅(qū)動(dòng)放大器的設(shè)計(jì)原理圖。

　　2.4 末級(jí)功率放大器的設(shè)計(jì)

　　一般窄帶內(nèi)的功放管阻抗參數(shù)已知，設(shè)計(jì)功放匹配電路是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。即設(shè)計(jì)一個(gè)兩端口線性無源網(wǎng)絡(luò)，一端口負(fù)載為50 Ω，另一端口的輸出阻抗和功放管的輸出輸入阻抗共軛匹配。阻抗匹配的結(jié)果直接影響功放的輸出增益和功率。為了達(dá)到理想的匹配效果，往往采用微帶線和并聯(lián)電 容的混合網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功放的匹配電路，輸人輸出電路拓?fù)漕愃?，采用低通電路結(jié)構(gòu)。但是由于高功率GaAs FET的總柵寬很大，器件的阻抗很低，導(dǎo)致輸入輸出阻抗受封裝寄生電容和電感的影響，在管殼外匹配放大器電路非常困難，特別是在高頻，設(shè)計(jì)帶寬功率FET 放大器最直接的方法就是在微波封裝內(nèi)使用內(nèi)匹配來解決器件的低輸入阻抗問題。

　　S波段FLM3135-18F微波管場(chǎng)效應(yīng)管，具有內(nèi)部阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，因此，設(shè)計(jì)時(shí)只需重點(diǎn)設(shè)計(jì)電源配置網(wǎng)絡(luò)，而輸入輸出端可以利用集總元件和 分布元件作為匹配網(wǎng)絡(luò)。寬帶和功率電平大于5 W時(shí)，通常選州集總元件作為功率FET的輸入匹配電路，利用鍵合金屬線實(shí)現(xiàn)集總電感，而電容則使用高介電常數(shù)陶瓷的金屬"絕緣體"金屬型。電容器的寄生電感和電阻必須小，并且具有足夠的熱和機(jī)械強(qiáng)度，小的溫度系數(shù)，40 V或更高的擊穿電壓。由于輸出阻抗比輸入阻抗高的多，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)用集總和分布元件實(shí)現(xiàn)。圖2是末級(jí)放大器的原理圖。

　　3 結(jié)束語

　　帶有內(nèi)匹配電路的微波場(chǎng)效應(yīng)管FLM3135-18F輸人輸出特性好，帶內(nèi)功率、增益特性平坦，元需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的輸入輸出電路，電路可靠性高。最終實(shí)測(cè)結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足用戶要求，已成功用于某型號(hào)目標(biāo)識(shí)別與感知平臺(tái)。