《電子技術(shù)應(yīng)用》
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DC-30 GHz GaAs pHEMT分布式功率放大器設(shè)計(jì)
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
劉雁鵬，魏啟迪，章國豪
廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州510006
摘要： 采用 0.25 μm GaAs pHEMT工藝研制了一款分布式功率放大器，詳細(xì)介紹了電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程。通過增加低頻交流終端,使得該放大器低頻段的增益平坦度有明顯的改善。仿真結(jié)果表明該放大器帶寬約為30 GHz，小信號(hào)增益約為8.5 dB，1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率約為21 dBm，功率附加效率最高能達(dá)到20%以上。
關(guān)鍵詞： 分布式放大器 GaAs pHEMT
中圖分類號(hào)： TN432
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.180349
中文引用格式： 劉雁鵬，魏啟迪，章國豪. DC-30 GHz GaAs pHEMT分布式功率放大器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(10)：48-51，55.
英文引用格式： Liu Yanpeng，Wei Qidi，Zhang Guohao. The design of a DC-30 GHz GaAs pHEMT distributed power amplifier[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(10)：48-51，55.
The design of a DC-30 GHz GaAs pHEMT distributed power amplifier
Liu Yanpeng，Wei Qidi，Zhang Guohao
School of Information Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China
Abstract： This paper describes a distributed power amplifier(DA) which was developed using 0.25 μm GaAs pHEMT process. The process of its circuit design and optimization is presented in details. Gain flatness in the low frequency range of this DA has a significant improvement by employing low frequency termination. The simulation result shows that DA which operates between DC and 30 GHz has a gain of 8.5 dB and 21 dBm of output power at 1 dB gain compression and maximum PAE up to 20%.
Key words : distributed power amplifier；GaAs；pHEMT

0 引言

    寬帶微波放大器主要運(yùn)用于電子監(jiān)控與對(duì)抗、雷達(dá)、光纖和儀表系統(tǒng)等寬帶通信系統(tǒng)，它們都需要多倍頻程的放大器。設(shè)計(jì)一個(gè)相對(duì)帶寬大于50%的放大器是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)[1]。傳統(tǒng)的寬帶放大器技術(shù)包括電抗/電阻性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)電阻性反饋結(jié)構(gòu)、平衡結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)。

    單片微波集成電路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）是一種把有源器件和無源器件制作在同一個(gè)半導(dǎo)體基片上的微波電路。在分布式（或行波）放大器中，通過將一定數(shù)量的晶體管的輸入和輸出電容合并進(jìn)入人工傳輸線結(jié)構(gòu)之中，解決了寬帶匹配晶體管的輸入和輸出阻抗所面臨的問題。這種技術(shù)的真正優(yōu)勢在于應(yīng)用MMIC技術(shù)，分布式放大器（Distributed Amplifier，DA）具有簡單的電路拓?fù)?，能夠獲得極寬的工作頻帶，并且其性能對(duì)工藝參數(shù)的變化不敏感[2]。

    眾多文獻(xiàn)對(duì)分布式放大器的基本原理和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了廣泛的研究和討論[3-7]。本文采用分布式電路實(shí)現(xiàn)單片寬帶放大器。本設(shè)計(jì)中的人工傳輸線使用帶狀電感，放大器的節(jié)數(shù)最終選為6節(jié)。為使放大器穩(wěn)定和提高人工傳輸線的截止頻率，柵極采用了電阻-電容并聯(lián)結(jié)構(gòu)。為使低頻段擴(kuò)展至1 MHz，需使用bias tee為漏極提供偏置電壓。在柵極和漏極提供低頻交流終端以改善低頻段的增益平坦度。

1 電路設(shè)計(jì)

    場效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor，F(xiàn)ET)分布式放大器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由4個(gè)晶體管、1條柵極線和1條漏極線構(gòu)成。輸入信號(hào)沿柵極線傳輸，在被一個(gè)終端負(fù)載吸收之前依次激勵(lì)各個(gè)FET。FET跨導(dǎo)放大信號(hào)后，將信號(hào)傳入到漏極線。若柵極線和漏極線的相速度大致相同，則來自每個(gè)FET 的信號(hào)將在輸出端口相加。漏極線上反向端口處的負(fù)載終端將吸收掉任何無用的信號(hào)。

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    整個(gè)DA電路的設(shè)計(jì)主要包括晶體管的選擇、節(jié)數(shù)的選擇、柵極線和漏極線的設(shè)計(jì)。

1.1 晶體管的選擇和節(jié)數(shù)的選擇

    單個(gè)器件的柵寬的確定，主要受放大器的最高工作頻率和電路的輸出功率兩個(gè)方面因素的限制。由于寬帶放大器設(shè)計(jì)目標(biāo)的最高頻率達(dá)到30 GHz，且所需的輸出的功率不大，因此柵寬主要先滿足放大器所需達(dá)到的最高工作頻率，根據(jù)：

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式中g(shù)m為晶體管跨導(dǎo)，由此可以得到小信號(hào)增益的理論近似曲線如圖2所示。

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1.2 柵極線和漏極線的設(shè)計(jì)

    柵極線設(shè)計(jì)主要考慮人工傳輸線的截止頻率，特征阻抗及其電感值Lg和電容值Cg，它們之間的關(guān)系由式(8)和式(9)確定。

    把人工傳輸線的特征阻抗定義為：

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    同時(shí)在Cga上并聯(lián)一個(gè)電阻Rga，提高穩(wěn)定性的同時(shí)提供柵極偏置電壓。

    漏極線設(shè)計(jì)時(shí)，為了匹配到50 Ω的系統(tǒng)阻抗，每個(gè)器件都無法獲得最大功率和功率附加效率（Power Added Efficiency，PAE）時(shí)的最佳負(fù)載阻抗，功率和PAE將會(huì)受到限制。通過一個(gè)4節(jié)DA 的簡化等效電路來解釋。簡化DA的4個(gè)器件均有相同的尺寸，都要求器件從漏端看出去有相同的實(shí)負(fù)載。電流從左到右依次聚集，簡化原理圖如圖3所示。RL是每個(gè)晶體管的漏極端口看出去的阻抗。Z0d1、Z0d2、Z0d3、Z0d4分別是由端口1、2、3、4向右看的傳輸線的特征阻抗。根據(jù)等效傳輸線理論，各端口相應(yīng)的傳輸線的特征阻抗應(yīng)分別為：Z0d1=RL，Z0d2=RL/2，Z0d3=RL/3，Z0d4=RL/4，為方便輸出匹配，令Z0d4=50 Ω，則再根據(jù)式：

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    則可以計(jì)算出各端口所需要的漏極電感值Ldk。式中Cds為晶體管漏-源電容。

2 電路的優(yōu)化

    通過上述步驟初步設(shè)計(jì)得到原始電路參數(shù)，采用微波仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真。由于晶體管參數(shù)的非線性，且考慮到對(duì)低頻段的增益改善，需要通過最后的優(yōu)化來達(dá)到預(yù)設(shè)的要求。為改善低頻段的增益，本次設(shè)計(jì)分別在柵極和漏極的終端加入低頻交流接地終端ACG1、ACG2、ACG3、ACG4。如圖4(a)所示，利用ACG1、ACG2、ACG3、ACG4充分吸收出現(xiàn)在柵極和漏極終端的低頻信號(hào)，特別是柵極低頻信號(hào)，使低頻段的增益平坦度得到明顯改善。有無低頻終端的增益仿真結(jié)果如圖4(b)所示，可以看到有低頻終端的曲線比無低頻段的曲線有更優(yōu)的增益平坦度。

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    最后優(yōu)化后的原理圖如圖5所示，漏極偏置電壓必須通過一個(gè)寬帶低阻抗的bias tee提供350 mA的工作電流，C2為100 nF的隔直電容。ACG1、ACG3需分別連接旁路4.7 μF的電容后接地，ACG2、ACG4需要分別連接10 pF和100 nF的電容后接地。

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3 仿真結(jié)果與分析

    采用Keysight公司的ADS2016仿真軟件對(duì)GaAs PHEMT MMIC 分布式功率放大器進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明：在DC-30 GHz的工作頻帶內(nèi)，該放大器的穩(wěn)定性因子k>1且|Δ|<1；在工作頻帶內(nèi)，其提供了8.5 dB的增益；功率附加效率PAE最高可達(dá)20%；1 dB壓縮點(diǎn)為21 dBm，分別如圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)、圖6(d)所示。20 GHz的參考頻率下的增益、輸出功率、PAE隨輸入功率的變化如圖6(e)所示。

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4 結(jié)論

    本文討論了分布式放大器的基本原理和結(jié)構(gòu)，并結(jié)合0.25 μm GaAs PHEMT工藝，運(yùn)用基本理論設(shè)計(jì)了分布式放大器的原始電路。通過不斷地優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)了一種帶寬達(dá)到30 GHz的超寬帶放大器。仿真結(jié)果表明在DC-30 GHz的工作頻帶內(nèi)，該放大器無條件穩(wěn)定，具有(8.5±1) dB的增益；功率附加效率PAE最高可達(dá)20%；1 dB壓縮點(diǎn)為21 dBm。從仿真結(jié)果來看，增益有繼續(xù)提高的空間，下一步工作將圍繞這一點(diǎn)來展開，采用能進(jìn)一步提高增益的結(jié)構(gòu)來完善設(shè)計(jì)。

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作者信息:

劉雁鵬，魏啟迪，章國豪

（廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州510006)

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