C波段射频功率放大器的设计

C波段射频功率放大器的设计

作者：陈艳

来源：《山东工业技术》2017年第24期

摘要：射频功率放大器是微波发射系统的重要组成部分。由于氮化镓功率管具有带隙宽、击穿电场高的特性，因此其带宽宽、特性高效。利用ADS仿真软件设计一种功率放大器，以晶体管小信号I-V曲线以及S参数作为功率管输入和输出阻抗匹配和偏置电路设计优化的参考数据。在4GHz—6.5GHz频段范围内，将射频信号输入功率为0dBm，放大为38dBm，带内波动控制在±1dB。

关键词：C波段射频功率放大器;GaN半导体;设计

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.24.095

半导体功率器件GaN作为一种新型晶体管，其电子迁移率高、频带宽、击穿场强高以及功率密度大等特点，这使得其适用于高功率、高频率的功率器件。宽频带半导体功率元器件被广泛应用于民用和军用的雷达、通信等领域，使电子信息系统的性能得到极大提升[1]。本文利用了AgilentADS仿真软件设计一种C波段功率放大器，具有2.5G的带宽，主要适用于无线通信、雷达等。该C波段功率放大器的技术参数为在4—6.5GHz波段范围内，其输入功率为0dBm，输出放大功率为38dBm，带内波动范围为

1 射频功率放大器工作原理

对射频功率放大器进行总体设计时，结合功率放大器的输出功率、工作频带特点，先分级设计，而后再将各级级联的设计思路。本文中设计的功率放大器模块设计为两级放大，以C波段的功率放大模块EMM5078ZV作为驱动级放大设计，GaN功率管TGF2023作为功放级放大设计。驱动级放大电路设计重在提高增益，并保证增益相应的平坦度;而功放级电路设计则侧重于输出功率的保障[2]。

2 射频功放器设计

2.1 功放级设计

基于市场上提供的绝大多数GaN射频功放管其厂商并未提供大信号模型，缺少DesignKit，因此，本设计中使用的GaN功率管TGF2023其带内S参数在数据文件中提供。

GaN管的静态工作点（漏极电流和偏置电压、栅极偏置电压）通过直流偏置仿真确定。通过对ADS中场效应管直流仿真模板图的引入，同时增设二端口模型，将其导入S参数的文件，并且将直流偏置仿真控件加入其中，最后确定VDS=28V和IDS=0.5A条件下的VGS结果。栅极偏置电压则通过仿真结果得到VGS=-1V，漏极电流0.535A。

通过将GaN管封装参数导入输出匹配的电路中，从而使场效应管输出匹配电路得到优化，进而向输出电路提供可靠的负载阻抗。因此，这就要求得到Cds的参数值。根据芯片手册提供的参数，可计算封装寄生元件的输出阻抗，通过ADS中的阻抗匹配软件将负载的阻抗匹配至50Q。然后参照Cgs结果，确定源阻抗匹配电路。

偏置电路可以将直流供电系统所产生的电压转接到放大器的栅极和漏极。功放级直流馈电采用1/4波长微带线，漏极和栅极分别以28V、-1V电压供电。

微带线的尺寸计算利用ADS软件中的传输线计算工具完成，对全匹配电路开展微带线的设计，最后配置好栅极偏置电路以及漏极馈电电路，完成功放级电路的设计。

稳定性分析是每一个功率放大芯片必须要开展的工作，以避免出现自激显现导致管子烧毁。通过增加稳定性仿真因子，进行全电路的仿真，观测2—8GHz频带范围内的稳定性，结果如图1所示。

由上图1可知，在该频段内，稳定性系数K>1，因此，全电路稳定。

通过对全电路的仿真，对微带线和匹配电容值进行调整，并匹配结构进行优化，观测参数S21、S11、S22的变化，仿真结果如图2所示。

从图2所示的仿真结果可知，5—6.5GHz范围内，S21的增益大于10dB，S11

2.2 驱动级设计

驱动级配置的C波段功放模块EMM5078ZV，最大放大倍数30dB，输出最大功率

26dBm，频带宽3.4—8.4GHz，漏源电压和栅源电压分别为10V和-3V，输入和输出根据内匹配的方式匹配500hm，因此只需要对功放模块设计合理的偏置电路即可满足设计要求。

2.3 供电电路设计

对于GaNHEMT的栅压和漏压的施加和断开顺序，施加时，栅压先于漏压，断开时，漏压先于栅压，否则将会引起漏极电流剧增，造成功放管损坏。因此对于该问题的解决应当采用定序偏置供电电路。

3 射频功率放大器测试和分析

通过测试驱动级、功放级以及供电模块，各项功率放大器技术指标均满足设计要求测试结果如表1所示。

4 结论

本文所设计的功率放大器的功放级放大器件采用GaNHEMT，驱动级功放模块采用EMM5078ZV，通过对匹配电路、供电电路、偏置电路的优化设计，设计出C波段射频功率放大器。结合相应的测试，结果显示，各项技术参数满足设计要求，可以进行相应的应用。

参考文献：

[1]TrewRJ，BilbroGL，KuangW，etal.Microwave AlGaN GaN HFETs[J]. IEEE Microwave Magazine，2005，6（01）：56266.

[2]白晓东，译.GuillermoGonzalez，微波晶体管放大器分析与设计[M].北京：清华大学出版，2003：192-193.

作者简介：陈艳（1989-），女，江苏建湖人，本科，助理工程师，从事微波射频电路方面的研究。