一種使用MESFET管芯的功率放大器的設(shè)計

李俊生， 唐　健， 王曉亮

(1.鹽城師范學(xué)院 物理科學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院， 江蘇　鹽城　224002；

2.中國科學(xué)院 半導(dǎo)體研究所 半導(dǎo)體材料科學(xué)重點實驗室， 北京　100083)

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一種使用MESFET管芯的功率放大器的設(shè)計

李俊生1， 唐健1， 王曉亮2

(1.鹽城師范學(xué)院 物理科學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院， 江蘇鹽城224002；

2.中國科學(xué)院 半導(dǎo)體研究所 半導(dǎo)體材料科學(xué)重點實驗室， 北京100083)

摘要：筆者使用MESFET管芯，利用ADS軟件對其進(jìn)行了仿真優(yōu)化，用小信號S參數(shù)法進(jìn)行設(shè)計，并研制出一種線性功率放大器，該放大器采用Excelics公司low distortion Power FET EFC480C作為管芯，尺寸為15mm×20mm，在2.7GHz～3.1GHz頻帶內(nèi)增益≥11dB，輸出功率P(sat)≥30dBm，功率起伏≤1dB；輸入輸出駐波比≤2，達(dá)到了較好的性能。不僅比管殼封裝器件體積小，而且可以消除封裝參數(shù)的有害影響。

關(guān)鍵詞：功率放大器；S參數(shù)法；負(fù)載線法；MESFET管芯

0引言

使用MESFET管芯設(shè)計制作微波混合集成電路，不僅比管殼封裝器件體積小，而且可以消除封裝參數(shù)的有害影響。

甲類放大器線性相對較好，通常用器件的靜態(tài)IV曲線來確定大信號負(fù)載線阻抗(RL)，然后用小信號S參數(shù)方法設(shè)計甲類放大器[1]?；静襟E是：選擇管芯，確定靜態(tài)工作點，確定最佳輸出負(fù)載阻抗，設(shè)計輸出匹配電路，根據(jù)輸出電路映射到輸入平面設(shè)計輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。

1電路設(shè)計與分析

1.1功率放大器的指標(biāo)

功率放大器的指標(biāo)如下：工作頻率為2.7GHz～3.1GHz；增益≥11dB；輸出功率P(sat)≥30dBm；功率起伏≤1dB；輸入輸出駐波比≤2；尺寸為15mm×20mm。

1.2選擇管芯

首先是選擇管芯[2]，砷化鉀芯片通常要用金錫合金焊接在載體上，為此芯片背面要金屬化，上面接點要與熱壓焊工藝兼容。筆者根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，選用一種GaAs FET管芯，Excelics公司low distortion Power FET EFC480C，柵寬為4.8mm。典型工作狀態(tài)Vds=8V，Ids=500mA；2GHz增益18dB；1dB功率[3]壓縮點為32dBm。該管芯的源極沒有通孔接地，需要將源極通過金絲鍵合與地連接。

1.3確定靜態(tài)工作點與負(fù)載阻抗

根據(jù)放大器[4,5]工作的類型確定靜態(tài)工作點。根據(jù)線性功放的要求，管子偏置在甲類，靜態(tài)漏極電流Id為飽和漏極電流Idss的一半左右，管子漏極偏置電壓Vd為8V，柵極偏壓Vg為-1V左右，實際工作時可根據(jù)實際情況對靜態(tài)工作點做進(jìn)一步的調(diào)整。

利用負(fù)載線法確定負(fù)載阻抗，根據(jù)要求計算管子的輸出負(fù)載阻抗線，從而確定最佳輸出阻抗實部。負(fù)載線公式為RL=(Vb-Vs)2/(2Pout)，其中Vb為漏極偏置電壓，Vs為管子V-I曲線的拐點電壓。EFC480CVs=2V，設(shè)計Pout為1.5W，求出RL=12Ω。

應(yīng)當(dāng)注意：GaAs MESFET器件的偏置電壓和最大輸出功率的確定關(guān)鍵參數(shù)是擊穿電壓。如果負(fù)載電阻過大，RF輸出電壓過大，就容易擊穿。所以，應(yīng)當(dāng)判斷輸出電壓是否會進(jìn)入擊穿區(qū)，應(yīng)當(dāng)有2Vb-Vs

圖1　小信號等效電路

由于MESFET的受控源兩端間的負(fù)載阻抗為實數(shù)時，才能得到最大的輸出功率，所以輸出匹配電路提供的負(fù)載阻抗的虛部應(yīng)與MESFET的漏源電容Cds諧振。在進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，將輸出阻抗的虛部吸收到匹配網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行綜合。Cds可以根據(jù)小信號等效電路和管子的S參數(shù)進(jìn)行擬合的方法來確定。根據(jù)Excelics提供的S參數(shù)，使用ADS仿真軟件擬合MESFET小信號等效電路的元件值，提取小信號等效電路的電路如圖1所示。

擬合出的Cds=0.72pF。負(fù)載的電納應(yīng)與Cds諧振，所以，負(fù)載導(dǎo)納估值為：YL=GL-jωCds，其中GL=1/RL=0.083s,可得YL=0.083-0.014×j。負(fù)載阻抗為ZL=1/YL=11.85+2.02×j。

估算輸出功率：由于和電流源并聯(lián)的負(fù)載阻抗為實數(shù)，因此漏電壓的交流部分和負(fù)載電流是同相的，其輸出功率為：PL=(1/4)(Vb-Vs)Imax=1.5W。

1.4電路設(shè)計與仿真

偏置電路：使用四分之一波長細(xì)微帶線提供偏壓，偏壓線終端使用諧振電容實現(xiàn)射頻接地，采用電感隔離射頻信號，大小電容濾除射頻信號及電源紋波。

圖2　輸出匹配電路圖

設(shè)計輸出匹配電路：輸出匹配電路很大程度上決定了最大輸出功率和電源效率，要求輸出匹配電路對管芯提供以上計算的負(fù)載阻抗。筆者采用簡單實用的L型低通匹配電路來實現(xiàn)阻抗變換。

在文獻(xiàn)[1]中，提到一些L/S波段放大器的實踐表明對二次諧波優(yōu)化端接(短路)能使效率提高6個百分點。設(shè)計中對輸出匹配網(wǎng)絡(luò)做寬帶頻率掃描，綜合使用終端射頻接地的四分之一波長偏壓線對二次諧波形成一定的抑制，使輸出電路對二次諧波保持較大的衰減，盡可能形成短路點。注意仿真時應(yīng)將漏極壓焊的金絲計入匹配電路。使用ADS優(yōu)化電路，取得合適的電路參數(shù)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

設(shè)計輸入匹配電路：輸入匹配電路的設(shè)計要求是提供輸入端阻抗匹配和確保穩(wěn)定性，保證設(shè)計的帶寬。筆者選用一種π型匹配電路，根據(jù)輸出電路映射到輸入平面，使用共扼匹配設(shè)計輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，使用并聯(lián)電阻提高穩(wěn)定性，使用ADS優(yōu)化增益、駐波、帶寬和穩(wěn)定性，得到合適的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。輸入匹配電路圖如圖3所示，最終電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖3　輸入匹配電路圖

圖4最終電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

使用ADS仿真電路的穩(wěn)定性，如圖5所示，k始終大于1，可知電路絕對穩(wěn)定。

用ADS進(jìn)行S參數(shù)仿真得出結(jié)果如圖6所示：在2.7GHz到3.1GHz內(nèi)，增益大于14dB，輸入輸出駐波均小于2。

圖5　電路穩(wěn)定系數(shù)圖

圖6小信號頻率響應(yīng)圖

2功率放大器的制作、測試與結(jié)論

選用Rogers4003微帶板，厚度為0.5mm，介電常數(shù)3.38。管芯使用金錫共晶焊焊在鉬片載體上，鉬做載體的熱膨脹系數(shù)與砷化鉀相近。還應(yīng)當(dāng)注意芯片與載體要形成良好的合金型結(jié)合，否則會影響性能。用熱壓焊的方法，金絲鍵合連接芯片電極與微帶，注意金絲參數(shù)應(yīng)與仿真時一致。

制成后，如圖7所示，使用銅箔調(diào)試電路，經(jīng)過調(diào)試，最后測試的結(jié)果：小信號頻率響應(yīng)：在2.7GHz～3.1GHz的頻率范圍內(nèi)，增益大于11dB，輸入輸出駐波均小于1.5。

圖7　功率放大器的實物圖　　　　　圖8　S參數(shù)圖

表1為測試參數(shù)，可以看出輸出功率大于1W，功率附加效率23%，該功率放大器性能滿足指標(biāo)要求。

表1　測試參數(shù)

參考文獻(xiàn)：

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[責(zé)任編輯：王敏]

Design of a Power Amplifier Using MESFET Tube Core

LIJun-sheng1,TANGJian1,WANGXiao-liang2

(1.SchoolofPhysicsandElectronics,YanchengTeachersUniversity,Yancheng224002,China;2.KeyLaboratoryofSemiconductorMaterialsScience,InstituteofSemiconductors,ChineseAcademyofSciences,Beijing100083,China)

Abstract:The MESFET tube core is used, and is simulated and optimized by the application of the ADS software, using the small signal S parameter method to design, and developing a linear power amplifier. The amplifier takes the low distortion Power FET EFC480C of Excelics company as the tube core, the size is 15mm×20mm, in the 2.7GHz～3.1GHz band, the gain is greater than or equal to 11dB, the output power P(sat)is greater than or equal to 30dBm, the power fluctuation is less than or equal to 1dB; the input and output in VSWR is less than or equal to 2, and a good performance is achieved. Not only its volume is smaller than the shell and tube packaging device, but also it can eliminate the harmful effects of package parameters.

Key words:power amplifier; S parameter method; load line method; MESFET tube core

中圖分類號：TN72

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-9706(2016)01- 0119- 04

作者簡介：李俊生(1983-)，男，江蘇鹽城人，鹽城師范學(xué)院，講師，主要從事T/R組件和微波電路設(shè)計的研究。E-mail：junsheng_li@163.com

基金項目：江蘇省高校自然科學(xué)研究基金資助項目(項目編號：13KJB510037)。

收稿日期：2015- 09-15