X頻段固態(tài)功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯X頻段固態(tài)功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)-設(shè)計應(yīng)用摘要：功率放大器是數(shù)傳發(fā)射機中的關(guān)鍵部件，它制約整個系統(tǒng)性能。采用集成電路與分立元件相結(jié)合的設(shè)計思想，依據(jù)功率放大器的匹配理論對電路部分進行設(shè)計，采用微波電路仿真軟件SERENADE對電路進行了仿真與優(yōu)化。經(jīng)測試，功放的工作頻段為7.9~8.3GHz,線性增益大于34dB,駐波系數(shù)小于1.5,1dB壓縮點的輸出功率大于40dBm。當輸入QPSK調(diào)制信號碼速率為300Mbps時，通過功放后的惡化量不大，滿足技術(shù)要求。通過具體電路實現(xiàn)，驗證了設(shè)計方法的正確性及可行性。

0引言

功率放大器（powerampliferPA），其主要作用是將需要發(fā)送的信號放大到一定的功率電平再經(jīng)天線后以無線方式發(fā)送到空間，其輸出功率、工作帶寬以及駐波比等技術(shù)指標是功率放大器的主要指標。目前，工作頻率在4GHz以下波段固態(tài)功放應(yīng)用較為廣泛，在4GHz以上C波段和X波段大功率發(fā)射機功放仍以行波管為主。由于發(fā)射機的固態(tài)化具有高可靠性、長壽命、重量輕、體積小等優(yōu)點，因此越來越受到衛(wèi)星通信領(lǐng)域技術(shù)人員的高度重視，因其部件是固態(tài)功率放大器，因此研制X波段固態(tài)功放對研制X波段全固態(tài)發(fā)射機有重要意義。

在PA的設(shè)計和實現(xiàn)過程中，需要完成的設(shè)計工作主要是：增益分配、輸入輸出及級間的匹配、直流偏置電路設(shè)計。為了提高設(shè)計的準確性，減少設(shè)計周期，采用微波電路CAD軟件SERENADE對電路進行了電路設(shè)計，仿真與優(yōu)化。

主要完成的調(diào)試工作是自激的消除和要求的輸出功率以及幅頻特性。在測試過程中針對技術(shù)指標要求對功放部件進行了認真測試，并輸入QPSK調(diào)制信號（碼速率為300Mbps）經(jīng)功率放大后測量其調(diào)制誤差的惡化程度，以考核功放性能的優(yōu)劣。

1放大器的設(shè)計

1.1主要技術(shù)指標

工作頻率：X頻段

工作帶寬：≥300MHz

輸出功率：≥10W

功率增益：≥34dB

輸入輸出駐波比：≤1.5

三階交調(diào)：優(yōu)于30dB

雜波抑制：優(yōu)于50dBC

傳輸碼速率：≥300Mbps

1.2設(shè)計方案與電路形式選擇

依據(jù)技術(shù)指標要求并考慮到設(shè)備的小型化、模塊化，功放的設(shè)計方案采用與國際上一致的流行做法，即前級用MMIC集成電路獲得增益，末級采用分離式結(jié)構(gòu)以獲得需要的功率。電路形式采用廣泛使用的微帶結(jié)構(gòu)形式以便于集成，其框圖如圖1所示。

圖1放大器組成

為實現(xiàn)增益大于34dB的要求，放大器前級的增益要盡可能地高，因此選用了富士通公司的FMM5057VF作為級。FMM5057VF是MMIC芯片，輸入輸出內(nèi)匹配，工作頻率為7.7~8.5GHz,其增益典型值為26dB。第二級主要是從輸出功率進行考慮，為了能夠滿足指標，后級采用了P1dB大于40dBm的富士通公司的FLM7185場效應(yīng)管。為了避免自激及保護功放芯片，輸入輸出均加了隔離器，輸入端選用成都泰格公司的G602EV微帶式隔離器，其插損0.3dB,隔離度23dB,通過功率5W。輸出端選用成都泰格公司的TGG502B71N隔離器，其一端FD型穿墻微帶，一端為N50K型接頭，可以完成與功放和測試設(shè)備的連接。其插損0.3dB,隔離度23dB,通過功率為20W。

1.3電路設(shè)計與仿真

為了使晶體管能夠工作在良好的匹配狀態(tài)，需要設(shè)計合適的源阻抗和負載阻抗與晶體管及電路部分進行匹配。

一般情況下微波測量設(shè)備為50Ω系統(tǒng)即使用的微波信號源及終端負載為50Ω,因此輸入及輸出匹配電路均需要向50Ω方向進行匹配。在相同的特性阻抗下，微帶線的長度與寬度取決于基片的厚度及相對介電常數(shù)，ROGERS4350B高頻電路板，其相對介電常數(shù)εr=3.48,厚度H=0.762mm,銅箔厚度1oz。用傳輸線計算工具可算得在所需工作頻段上50Ω的傳輸線寬度約為1.74mm,其寬度適中，方便與輸入輸出引腳焊接，長度可以根據(jù)需要更改，1/4波長約為5.5mm。本設(shè)計采用小信號S參數(shù)法設(shè)計功率放大器，將兩個芯片的小信號S參數(shù)文件導(dǎo)入到仿真軟件SERENADA中，對匹配電路進行整體仿真與優(yōu)化，得到容易實現(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)，其仿真結(jié)果圖2所示。在所需工作頻率，增益大于34dB,駐波系數(shù)小于1.5,帶寬大于300MHz。

圖2匹配電路整體仿真結(jié)果

1.4偏置電路設(shè)計

晶體管作為有源器件，需要合適的直流電源進行偏置，以達到其所需的工作點。偏置電路的作用是在將直流饋入晶體管的同時，不對電路上的射頻信號傳輸產(chǎn)生不良影響，避免射頻信號從偏置電路泄漏出去，因此偏置電路中要加入濾波電容濾除干擾，正壓Vds及負壓Vgs通過g/4的高阻抗饋入以防止射頻信號的泄露。

1.5PA版圖

PA電路圖的尺寸為105mm×70mm,輸入輸出均為50微帶線。

2測試結(jié)果

2.1幅頻特性

在網(wǎng)絡(luò)分析儀（AgilentE8363B）上測試后得到，在7.9~8.3GHz,線性增益大于34dB,帶內(nèi)平坦度為0.5dB左右，測試結(jié)果如圖3示（圖中所示幅度增益為-9dB,輸出端加入了30dB負載和10dB衰減器，測量時所用的電纜有線損，測量輸入端線損為1.9dB,測量輸出端線損為1.5dB,故實際增益大于34dB）[9]輸入輸出駐波系數(shù)小于1.5。

圖3增益與駐波系數(shù)測試結(jié)果

2.2輸出功率

在頻譜儀（AgilentE4440A）上實測本功率放大器在8.1GHz輸出功率為40.5dBm,測試結(jié)果如圖4所示（圖中所示輸出功率為-1dBm,輸出端加入了30dB負載和10dB衰減器，測量時所用的電纜有線損，測量線損為1.5dB,故實際輸出功率40.5dBm）。由測試結(jié)果可以看出PA的測試與仿真基本吻合，達到技術(shù)指標要求。

圖4輸出信號頻譜

2.3調(diào)制特性

當輸入碼速率為300Mbps的QPSK調(diào)制信號，經(jīng)調(diào)制域分析儀測試，其幅度誤差與相位誤差惡化量不大。

3結(jié)束語

本文對X波段固態(tài)功率放大器的設(shè)計和實現(xiàn)進行了闡述，采用MMIC芯片和GaAs場效應(yīng)管級聯(lián)的設(shè)計思路，通過