s 波段宽带微波固态功率放大器的设计

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1、S波段宽带微波固态功率放大器的设计程光伟，赵文（西安工业大学电子信息工程学院，西安710032）摘要：微波功率放大器是发射机的重要组件，它的设计成了微波发射系统的关键。文中使用ADS仿真软件对一款功率放大器进行仿真和电路设计，根据晶体管的小信号S参数和I-V曲线，对功率管的输入、输出阻抗匹配电路及其偏置电路进行优化设计，使其性能达到设计要求。在2GHz～2.5GHz的频段内，对输入功率为0dBm射频信号，使用功放模块可以输出40dBm的射频信号，带内波动≤±1.5dB。关键词：宽带；横向扩散金属氧化物半导体；微波功率放大器宽带功率

2、放大器在雷达、无线通信、电子对抗以及软件无线电等系统中的应用越来越广泛，特别是微波领域，对宽带功放有着极大需求，是宽带微波发射系统的关键部件。随着通信技术的发展，对宽带功率放大器的研究，也越来越受重视。宽带功率放大器是相对于窄带放大器而言的，通常指频带在其中心频率处，达到15%以上带宽的功率放大器，在其带宽内，增益波动小，输出功率较稳定。横向扩散金属氧化物半导体（LaterallyDiffusedMetalOxideSemiconductor，LDMOS）场效应管（FieldEffectTransistor，FET）是一种性价比很

3、高的器件，自上世纪80年代应用以来，一直在通信系统的固态功放中起着主导作用，近些年向着更高频率、高增益、大功率的方向发展。LDMOSFETs基于成熟的Si工艺，采用价格低廉，高质量的Si材料，与以往的FET管和晶体管相比，具有更高的增益，更好的散热性能和优秀的热稳定性，与GaN等宽禁带FET管相比，具有相当的功率增益和效率，价格只有其1/10。因此，LDMOS管具有最佳的性价比，更适合大功率功放使用，比GaAs、SiC、GaN等器件有着更低的成本，在微波频率低端（5GHz以下）具有非常大的优势[1-7]。本文的目标是运用高性价比的

4、LDMOSFETs，运用先进设计系统（AdvancedDesignSystem，ADS）射频电路设计与仿真软件，设计出一款500M带宽的通用的S波段功率放大器，可用于雷达发射机、无线通信、电子对抗及软件无线电的驱动级或末级功率放大模块，其主要技术指标为：工作频率为2GHz～2.5GHz的频段内；输入功率为0dBm；输出平均功收稿日期：2011-08-13作者简介：程光伟（1957-），男，西安工业大学副教授，主要从事通信与电子信息专业领域的研究工作。Email:kwcheng@sina.con.cn,手机：13572285350.

5、通讯作者：赵文，Email:wisezhwen@163.com，手机:13630286200.8率40dBm；带内波动≤±1.5dB；增益40dB。1宽带固态功放设计原理文中设计的微波功放模块，根据该放大器工作频带宽度，输出线性功率大等特点，在进行功放总体设计时，采用分级设计，再进行级联的设计方法。每一级功放均采用双分支平衡结构进行宽带匹配。本功放模块采用三级放大，前级功放采用的是异质结双极性（HeterojunctionBipolarTransistor，HBT）单片集成元件放大器，驱动级和末级功放选用的是LDMOSFETs分立

6、元件放大器。功放总体设计如图1所示，最后一级放大器侧重于保证输出功率的设计，而前级和驱动级放大电路则侧重于提升增益的设计，同时保证增益平坦度和输入输出驻波。图1功放模块总体设计Fig.1Overalldesignofpoweramplifiermodules本设计所选用的功率管，均采用飞思卡尔公司的功率器件，前级功放选用HBT管的MMG3014NT1（InGaP）磷化铟镓异质结双极性晶体管（InGaPHBT）。驱动级放大器选用MRF6S20010NN沟道增强型第六代LDMOSFETs,是一个AB类或C类、宽带、大信号的功率放大器，

7、PAR（峰均值比）可达到8.5dB。末级放大器选用MRF6S27015NN沟道增强型LDMOSFETs管，PAR=8.5dB。前级放大器在2.5GHz的频率点，有13dB的增益，P1dB=25dBm（输出功率1dB压缩点），输出功率每回退1dB，交调失真减小2dB，使MMG3014NT1晶体管的输出功率为13dBm，输出功率回退12dB。驱动级功放有14dB以上的增益和10WCW（连续波）的饱和输出功率，使MRF6S20010N功率管的输出功率为0.5瓦（27dBm），输出功率回退约13dB。末级功放则有14dB以上的增益和15W

8、CW（连续波）的饱和输出功率，使MRF6S27015N功率管的输出功率为10瓦（40dBm），输出功率回退约1.76dB，可改善3dB的线性度。使用功率管，一般需要留有20%的功率容量，通常是保持70%～80%饱和输出功率，以提高功率附加效率（PA