X頻段固態(tài)功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-設(shè)計(jì)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(jì)與實(shí)現(xiàn)-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要：功率放大器是數(shù)傳發(fā)射機(jī)中的關(guān)鍵部件，它制約整個(gè)系統(tǒng)性能。采用集成電路與分立元件相結(jié)合的設(shè)計(jì)思想，依據(jù)功率放大器的匹配理論對(duì)電路部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用微波電路仿真軟件SERENADE對(duì)電路進(jìn)行了仿真與優(yōu)化。經(jīng)測(cè)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(diǎn)的輸出功率大于40dBm。當(dāng)輸入QPSK調(diào)制信號(hào)碼速率為300Mbps時(shí)，通過(guò)功放后的惡化量不大，滿足技術(shù)要求。通過(guò)具體電路實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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(hào)放大到一定的功率電平再經(jīng)天線后以無(wú)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(biāo)是功率放大器的主要指標(biāo)。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(jī)功放仍以行波管為主。由于發(fā)射機(jī)的固態(tài)化具有高可靠性、長(zhǎng)壽命、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)，因此越來(lái)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(duì)研制X波段全固態(tài)發(fā)射機(jī)有重要意義。

在PA的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，需要完成的設(shè)計(jì)工作主要是：增益分配、輸入輸出及級(jí)間的匹配、直流偏置電路設(shè)計(jì)。為了提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，減少設(shè)計(jì)周期，采用微波電路CAD軟件SERENADE對(duì)電路進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)，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(cè)試過(guò)程中針對(duì)技術(shù)指標(biāo)要求對(duì)功放部件進(jìn)行了認(rèn)真測(cè)試，并輸入QPSK調(diào)制信號(hào)（碼速率為300Mbps）經(jīng)功率放大后測(cè)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(jì)

1.1主要技術(shù)指標(biāo)

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(jì)方案與電路形式選擇

依據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求并考慮到設(shè)備的小型化、模塊化，功放的設(shè)計(jì)方案采用與國(guó)際上一致的流行做法，即前級(jí)用MMIC集成電路獲得增益，末級(jí)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(shí)現(xiàn)增益大于34dB的要求，放大器前級(jí)的增益要盡可能地高，因此選用了富士通公司的FMM5057VF作為級(jí)。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(jí)主要是從輸出功率進(jìn)行考慮，為了能夠滿足指標(biāo)，后級(jí)采用了P1dB大于40dBm的富士通公司的FLM7185場(chǎng)效應(yīng)管。為了避免自激及保護(hù)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(guò)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(cè)試設(shè)備的連接。其插損0.3dB,隔離度23dB,通過(guò)功率為20W。

1.3電路設(shè)計(jì)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(jì)合適的源阻抗和負(fù)載阻抗與晶體管及電路部分進(jìn)行匹配。

一般情況下微波測(cè)量設(shè)備為50Ω系統(tǒng)即使用的微波信號(hào)源及終端負(fù)載為50Ω,因此輸入及輸出匹配電路均需要向50Ω方向進(jìn)行匹配。在相同的特性阻抗下，微帶線的長(zhǎng)度與寬度取決于基片的厚度及相對(duì)介電常數(shù)，ROGERS4350B高頻電路板，其相對(duì)介電常數(shù)εr=3.48,厚度H=0.762mm,銅箔厚度1oz。用傳輸線計(jì)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(zhǎng)度可以根據(jù)需要更改，1/4波長(zhǎng)約為5.5mm。本設(shè)計(jì)采用小信號(hào)S參數(shù)法設(shè)計(jì)功率放大器，將兩個(gè)芯片的小信號(hào)S參數(shù)文件導(dǎo)入到仿真軟件SERENADA中，對(duì)匹配電路進(jìn)行整體仿真與優(yōu)化，得到容易實(shí)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(jì)

晶體管作為有源器件，需要合適的直流電源進(jìn)行偏置，以達(dá)到其所需的工作點(diǎn)。偏置電路的作用是在將直流饋入晶體管的同時(shí)，不對(duì)電路上的射頻信號(hào)傳輸產(chǎn)生不良影響，避免射頻信號(hào)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(fù)壓Vgs通過(guò)g/4的高阻抗饋入以防止射頻信號(hào)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(cè)試結(jié)果

2.1幅頻特性

在網(wǎng)絡(luò)分析儀（AgilentE8363B）上測(cè)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(cè)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(fù)載和10dB衰減器，測(cè)量時(shí)所用的電纜有線損，測(cè)量輸入端線損為1.9dB,測(cè)量輸出端線損為1.5dB,故實(shí)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(cè)試結(jié)果

2.2輸出功率

在頻譜儀（AgilentE4440A）上實(shí)測(cè)本功率放大器在8.1GHz輸出功率為40.5dBm,測(cè)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(fù)載和10dB衰減器，測(cè)量時(shí)所用的電纜有線損，測(cè)量線損為1.5dB,故實(shí)際輸出功率40.5dBm）。由測(cè)試結(jié)果可以看出PA的測(cè)試與仿真基本吻合，達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

圖4輸出信號(hào)頻譜

2.3調(diào)制特性

當(dāng)輸入碼速率為300Mbps的QPSK調(diào)制信號(hào)，經(jīng)調(diào)制域分析儀測(cè)試，其幅度誤差與相位誤差?lèi)夯坎淮蟆?/p>

3結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)X波段固態(tài)功率放大器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述，采用MMIC芯片和GaAs場(chǎng)效應(yīng)管級(jí)聯(lián)的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)