引 言

隨著微波通信技術(shù)的發(fā)展，人們對通信系統(tǒng)的要求越來越高，比如小型化、可靠性等，微波單片集成電路(MMIC)憑借小型緊湊、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、批量生產(chǎn)成本低和產(chǎn)品性能一致性好等特點(diǎn)成為軍事電子對抗及民用通信系統(tǒng)最具吸引力的選擇。贗配高電子遷移率晶體管(PHEMT)具有增益、噪聲、功率方面更加良好的特性，成為微波與毫米波單片集成電路和超高速數(shù)字集成電路領(lǐng)域最具競爭力的有源器件之一，當(dāng)前，PHEMT MMIC研究已經(jīng)成為MMIC研究的一大熱點(diǎn)。本文的功率放大器便是采用PHEMT工藝技術(shù)，設(shè)計要求工作頻段在3～4 GHz左右，其工作帶寬要求大于500 MHz，要求信號線性特性好，頻帶內(nèi)增益平坦度平滑，電路工作性能穩(wěn)定。其功率增益的要求為30 dB左右。

1器件選擇

設(shè)計采用TRANSCOM公司的PHEMT MMIC功放單片TC3331，TC3331是兩級的MMIC功率放大器。工作頻段為3.3～3.8 GHz(-3 dB帶寬)，可以實(shí)現(xiàn)帶寬500 MHz，P-1dB輸出功率為30 dBm，G1dB功率增益為30 dB，工作電壓一般為7 V，電流為700 mA。輸入駐波比VWSR最大值為2：1。具有低成本、高性能的優(yōu)點(diǎn)。該功放管電源偏置采用的是正負(fù)電壓的偏置方式。在柵極和漏極的傳輸線上分別提供負(fù)壓和正壓偏置，這樣的偏置方式適合手高功率、高效率放大器的設(shè)計，而且引入的源極反饋?zhàn)钚。瑢苄镜膮?shù)變化不會明顯，放大器容易穩(wěn)定。

2直流偏置電路設(shè)計

在進(jìn)行功率放大器設(shè)計時，一定要讓電路在正確的直流偏置狀態(tài)下運(yùn)行。為了保護(hù)場效應(yīng)功率管，一般都要求先給器件的柵極提供直流偏置，再給漏極提供直流偏置。基于MMIC器件的功率放大器設(shè)計中，直流偏置電路不僅要隔離射頻信號，而且能提供放大器正常工作時的時序偏置電壓和電流。為了保證芯片的安全正常工作，使直流供電電路具有時序的開關(guān)響應(yīng)，選用MAXIM公司的負(fù)壓器件MAX881R，一方面提供功放芯片所需的負(fù)電壓，另一方面在負(fù)壓穩(wěn)定后產(chǎn)生控制電平的POK，實(shí)現(xiàn)供電電路的時序特性。同時選用International Rectifier公司的高速開關(guān)器件IRF9540N，完成對功放單片的供電控制。MAX881R的模型和主要控制時序圖如圖1和圖2所示。

由圖2可以看出，當(dāng)芯片MAX881R開始工作時，7腳OUT輸出負(fù)電壓-2 V，通過分壓電路設(shè)置轉(zhuǎn)換為合適的負(fù)壓然后送給功率放大器芯片TC3331的柵極，以滿足VGS的需要。當(dāng)VGS的電壓到達(dá)輸出要求的92.5％時，4腳POK由高電平變?yōu)榈碗娖绞沟肐RF9540N開關(guān)管導(dǎo)通工作(圖3)，輸出高電平，然后通過IRF9540N的源極給功率放大器芯片管的漏極VDS供電，從而實(shí)現(xiàn)對功放管時序供電和控制。

3 電磁兼容性屏蔽設(shè)計

為了滿足一定的電磁兼容(EMC)特性，盡量減少功放電路的微波輻射信號對整個電路的影響，設(shè)計了功放屏蔽盒來滿足這些條件。在設(shè)計時把微帶電路(包括有源和無源器件)放入盒體內(nèi)，工作在其頻率以下將會減小微波元件由于輻射信號造成的影響。

式中：λH是工作頻段高端頻率的波長，如果不滿足式(2)，在盒體內(nèi)就可能產(chǎn)生波導(dǎo)型傳播。在電路中微帶線的開路端、跳變、分支結(jié)構(gòu)等不均勻處都會產(chǎn)生微波輻射，電磁場將以波導(dǎo)模式在盒內(nèi)空間傳播影響到放大器的性能。當(dāng)反向傳播的電磁波構(gòu)成正反饋時，會導(dǎo)致頻帶內(nèi)增益平坦度變壞，在某些頻率點(diǎn)上出現(xiàn)尖鋒。反饋過強(qiáng)時，還容易出現(xiàn)自激振蕩。同時，屏蔽盒相當(dāng)于一個密閉的諧振腔，具有諧振效應(yīng)，當(dāng)電路工作頻率接近其諧振頻率時，部分能量被吸收，因而產(chǎn)生衰減的尖峰。設(shè)計時往往需修改屏蔽盒體尺寸，以避免諧振頻率落于微帶電路的工作頻帶內(nèi)。

4電路仿真與分析

結(jié)合上述理論基礎(chǔ)和相關(guān)設(shè)計，在ADS中經(jīng)過性能仿真和優(yōu)化設(shè)計，在Protel中構(gòu)建整個電路系統(tǒng)的原理圖如圖4所示。

整體電路原理圖中上面部分是可調(diào)解直流電源，位于功放屏蔽盒的外的硬件電路板，為功放電路提供正確的電壓供給，通過LM317可變電壓的緩慢調(diào)解，可以適當(dāng)?shù)母淖児Ψ烹娐返脑鲆娲笮。鲆鎰討B(tài)范圍約6 dB。電路中間部分為功放電路的直流偏置電路，直流電源提供正確的電壓值給MAX881R。芯片MAX881R的7腳OUT一般輸出為-2 V，但是該輸出值是可以通過6腳FB外接電路調(diào)節(jié)的，通過電阻R6和R7與6腳FB接合在一起進(jìn)行電路分壓，此時OUT輸出的值為-1 V，以滿足TC3331直流偏置Vg=-1 V的供電要求。調(diào)節(jié)的計算公式如下：

因?yàn)門C3331要求Vg=-1 V，所以通過式(3)可計算得R4=R5=100 kΩ。IRF9540N由4腳POK驅(qū)動控制，當(dāng)無電源供給時(VCC=0 V)，MAX881R芯片4腳處于高電平，控制IRF9540N工作于截止?fàn)顟B(tài)，源極無電壓輸出；當(dāng)有正確電源(VCC≠0)供給時，經(jīng)過一段時間MAX881R達(dá)到穩(wěn)定后，4腳輸出變?yōu)榈碗娖剑藭r控制IRF9500N導(dǎo)通正常工作，提供給功放管TC3331正常的漏極電壓Vd。對實(shí)際放大器電路進(jìn)行測試，測試輸入信號源采用中心頻率為3.40 GHz振蕩器和100 MHz的UWB信號，測試的結(jié)果如圖5，圖6所示。

圖5是對振蕩信號放大的前后對照測試圖，可以看到信號的功率從-1.78 dBm增加到22.18 dBm，增益約24 dB，由于功放的接入對振蕩器輸出匹配特性和輸出S參數(shù)特性有一定的影響，再加上突發(fā)脈沖、噪聲的干擾等因素，使得功放放大后的振蕩信號的中心頻率發(fā)生了少許的偏差，偏低了約20 MHz(誤差允許范圍內(nèi))，整體性能良好，相位噪聲較低，頻率穩(wěn)定性較高。圖6是對UWB信號測試的結(jié)果對照圖，信號的功率從-5.11 dBm增加到22.45 dBm，增益約27.5 dB，小信號增益已經(jīng)接近功放管的理想放大增益值30 dB。可以看出圖6(b)中UWB信號的頻譜比圖6(a)放大后UWB信號的頻譜有更平滑的信號頻譜特性，說明UWB信號的波形失真小，該放大器的線性度高，可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

5結(jié)語

對PHEMT MMIC功率放大器進(jìn)行了全面的優(yōu)化設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，并通過功放硬件電路實(shí)測，測試結(jié)果證明了設(shè)計方案的可行性，功放電路的增益與理論基本一致，滿足系統(tǒng)的性能要求。功放盒體設(shè)計除考慮結(jié)構(gòu)和散熱設(shè)計要求外，還考慮到了電路腔體內(nèi)部電磁兼容特性的影響，確保了整個功放的穩(wěn)定性和可靠性；方案采用了模塊化的設(shè)計思路，設(shè)計好的直流電壓源、偏置電路、直流供電模塊、功率放大結(jié)構(gòu)均具有較好的通用性。