Ku频段微波功率放大器的设计

Ku波段宽带低噪声放大器研制崔铮薛祝和李斌范庆元（中国科学院上海天文台上海 200030）摘要：低噪声放大器（LNA）是微波接收机前端中的重要组成部分。

低噪声放大器的性能将决定着接收机的信噪比大小。

本文介绍了一种宽带Ku波段低噪声放大器的设计原理和方法，并给出了仿真结果。

该放大器采用NEC公司的NE3210S01场效应晶体管（FET），利用三级级联的方式来达到较高的增益和较好的增益平坦度。

仿真后在11-13 GHz范围内增益（29.7±0.5）dB，噪声温度小于55K，S11,S22小于-25dB 。

关键词：低噪声放大器；噪声系数；级连匹配Abstract: Low noise amplifier (LNA) is an important part as the front end of the microwave receiver. The performance of the LNA will determine the signal to noise ratio(SNR) of the microwave receiver. We introduced the design principle and method of a Ku band LNA and give the emulational result. FET NE3210S01 of NEC Company was used in this design. A three-stage topology was used to achieve high gain and better gain flatness. After simulated, the result with a gain of(29.7±0.5)dB, noisetemperature less than 55K, S11,S22less than -25dB.Keywords: low noise amplifier (LNA); noise figure(NF); series matching1 引言宽带Ku-波段接收机的研制目的，其主要用途是接收地球同步卫星信号用全息测量法做天线面高精度调整及甲醇脉泽谱线的观测。

集成电路设计与应用IC Design and ApplicationDOI:10.3969/j.issn.1003－353x.2011.06.014Ku波段单片功率放大器设计与制作刘如青，吴洪江，高学邦，付兴昌，倪涛(中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄050051)摘要:介绍了一种Ku波段GaAs功率放大器芯片的研制过程。

芯片采用电抗匹配电路结构，三级级联放大，末级采用多胞器件进行功率合成，实现了电路的高增益和所要求的功率输出;另外，还对元器件模型技术、GaAs MMIC测试技术等进行了相应描述。

在芯片的研制过程中，利用ADS软件进行仿真及优化，利用电磁场仿真进行版图设计。

在4英寸(100mm)0.25μm GaAs PHEMT工艺线上完成芯片制作，在12.5 15.0GHz的频率范围内，脉冲饱和输出功率Po 大于34.7dBm(脉宽100μs，占空比10%)，功率增益G p大于19.7dB，功率附加效率PAE大于30%，功率增益平坦度小于ʃ0.4dB。

该芯片可以应用到许多微波系统中。

关键词:Ku波段;功率放大器;脉冲;芯片;砷化镓中图分类号:TN304.23;TN722.75文献标识码:A文章编号:1003－353X(2011)06－0470－04Design and Fabrication of Ku-Band Monolithic Power Amplifier Liu Ruqing，Wu Hongjiang，Gao Xuebang，Fu Xingchang，Ni Tao(The13th Research Institute，CETC，Shijiazhuang050051，China)Abstract:The research process of a Ku-band power GaAs MMIC was introduced．The structure of reactively matching network was introduced to realize a power MMIC．Good performance of high gain and high output power was achieved by a power combination technique using a three-stage amplifier．Also some key technologies were described，such as the modeling and testing technologies of GaAs MMIC．During the research and development process，the measurement system was built up，and the circuit was simulated by ADS．After that，the layout was designed with EM simulation．The chip was fabricated at the4inch(100mm)0.25μm GaAs power PHEMT process line．The performance of the power amplifier is higher than34.7dBm saturated output power(pulse width of100μs，duty cycle of10%)，more than19.7dB power gain，30%power-added efficiency andʃ0.4dB gain flatness from12.5GHz to15.0GHz．The MMIC can be used in many microwave applications．Key words:Ku-band;power amplifier;pulse;chip;GaAsEEACC:12200引言GaAs单片功率放大器具有线性好、集成度高、结构紧凑、可靠性高、体积小等优点，是无线通信、导航、卫星通信等微波系统的关键元器件。

ku波段微波放大器的计算机辅助设计和制作
敖发良;张德琨
【期刊名称】《桂林电子工业学院学报》
【年(卷),期】1991(011)001
【摘要】本文简述了用计算机辅助设计微波放大器的基本原理和方法,编制了用可变多面体法、模式搜索法优化设计的计算机程序,利用该程序,优化设计,制作并调试出了Ku波段的微波放大器,介绍了测试结果和调试体会。

放大器最大增益达22dB,噪声系数为2.9dB,
【总页数】7页(P32-38)
【作者】敖发良;张德琨
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TN722.16
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5.从《解读王维康先生〈一款高效C/Ku波段复合高频头的制作经历〉一文》想到的 [J], 王维康
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Ku频段低噪声放大器的设计吴辉，唐小宏电子科技大学电子工程学院四川成都610054摘要：本文介绍了低噪声放大器的设计理论及方法，设计了一款Ku频段低噪声放大器。

电路采用三级放大的结构形式。

利用微带电路实现输入、输出和级间匹配。

采用了Agilent公司的微波电路CAD仿真软件ADS进行了仿真与优化。

并对电路增益、噪声系数、驻波比、稳定系数和输出1dB压缩点等特性进行了研究。

LNA的工作频段为15.42～15.5GHz，增益大于27dB，噪声系数小于2.1dB，1dB压缩点的输出功率在8dBm以上，带内平坦度为±0.3dB。

关键字：Ku频段，低噪声放大器，ADS仿真，噪声系数Design of Ku Band Low Noise AmplifierWu Hui, Tang Xiaohong(School of Electronic Engineering, UESTC of China Chengdu 610054)Abstract: The design theory and method of low noise amplifier(LNA) is introduced. And a Ku band LNA is designed. The circuit is used of three stage amplifier. Input output and stage matching network designed in microstrip. The whole design is simulated and optimized by Agilent’s microwave circuit CAD software ADS. The gain, noise figure(NF), VSWR, stability and P1dB is discussed. Its operation band is 15.42~15.5GHz , gain>27dB,NF<2.1dB, P1dB>8dBm, in-band flatness<±0.3dB.Key Words: Ku band, LNA，ADS，NF1 引言低噪声放大器(Low Noise Amplifier)简称LNA的主要作用是在产生比较低噪声的情况下，把天线接收过来的微弱信号放大。

第48卷第1期（总第187期）2019年3月火控雷达技术Fire Control Ｒadar TechnologyVol.48No.1（Series 187）Mar.2019接接接收收发发射射技技术术收稿日期：2018-11-30作者简介：周海进（1981－），男，博士研究生。

研究方向为微波毫米波收发系统技术。

一种Ku 波段固态功率放大模块的设计周海进马云柱张思明王嘉煜（西安电子工程研究所西安710100）摘要：文中介绍了一种Ku 波段固态功率放大模块的研制思路，详细阐述了功率放大链路的组成方案，以及基于波导E 面T 型分支和H 面波导裂缝电桥的混合式4路功分/合成网络的设计方法。

制作了实物样机并进行了相关测试，结果表明模块在Ku 波段14%的相对带宽范围内可实现大于130W 的脉冲输出功率，合成效率大于90．2%，验证了设计方法的正确性和有效性。

关键词：Ku 波段；固态功率放大模块；波导E 面T 型分支；H 面波导裂缝电桥中图分类号：TN95文献标志码：A 文章编号：1008－8652（2019）01－062－04引用格式：周海进，马云柱，张思明，王嘉煜．一种Ku 波段固态功率放大模块的设计［J ］．火控雷达技术，2019，48（1）：62－65．DOI ：10．19472/j．cnki．1008－8652．2019．01．013Design of a Ku-band Solid-state Power Amplifier ModuleZhou Haijin ，Ma Yunzhu ，Zhang Siming ，Wang Jiayu （Xi'an Electronic Engineering Ｒesearch Institute ，Xi'an 710100）Abstract ：In this paper ，design conception of a Ku-band solid-state power amplifier module is introduced．Compo-sition scheme of the power amplifier chain is described in detail．In addition ，design of a four-way hybrid divider /combiner network based on E-T waveguide branch and H-plane waveguide slot bridge is introduced in detail．Aphysical prototype has been fabricated and tested．Test results show that the proposed amplifier module can achieve a pulse output power of over 130W and a synthesis efficiency of over 90．2%within 14%relative bandwidth range of Ku band ，which proves the validity of the design．Keywords ：Ku-band ；solid-state power amplifier module ；E-T waveguide branch ；H-plane waveguide slot bridge0引言固态功率放大模块是雷达、通信及导航系统中的核心部件，其发射功率的大小直接决定了系统的作用距离、抗干扰能力及通信质量。

第31卷　第6期2008年12月电子器件Chinese J ournal Of Elect ron DevicesVol.31　No.6Dec.2008Design and Implementation of a K u 2B and Solid 2State H igh 2Speed Pulse Pow er AmplifierW A N G Chao ,C H EN X i ao 2g uang3(Depart ment of Communication Science and Engineering ,Fu dan Uni versit y ,S hanghai 200433,China )Abstract :A design scheme of Ku 2band solid 2state high 2speed p ulse power amplifier is presented.Driver cir 2cuit and bias circuit of GaAs P H EM T PA module are designed elaborately t hrough analysis of P H EM T module.Implementatio n of t he entire system and measured result s of major parameters is mainly given.Pulse rise time of t he power signal is 4ns and switching isolation is 70dB.G ood performance in modulation speed ,isolation and reliability proves t he feasibility of t he design.K ey w ords :p ulse power amplifier ;high speed ;gate 2cont rolled technology ;p ulse rise time ;P H EM T ;switc 2hing isolation EEACC :1220;2570Ku 波段固态高速脉冲功率放大器的设计与实现王　超,陈晓光3(复旦大学通信科学与工程系,上海200433)收稿日期:2008202229作者简介:王　超(19832),男,硕士生在读,主要研究方向为无线移动通信、RF 电路,cantone @ ;陈晓光(19642),男,副教授,硕士生导师,主要研究方向为无线移动通信、RF 技术,xgchen99@摘　要:提出一种Ku 波段固态高速脉冲功率放大器的设计方案。

Ku频段内匹配微波功率场效应晶体管设计与实现的开题报告摘要：本文主要介绍关于Ku频段内匹配微波功率场效应晶体管设计与实现的研究。

随着无线通信技术的发展，Ku频段的应用越来越广泛，然而缺乏高功率、高效率的Ku波段微波功率放大器限制了其应用的进一步发展。

因此，本文旨在研究对Ku频段内匹配的微波功率场效应晶体管进行优化设计，以提高功率放大器的性能和功率输出。

本文主要包括以下部分：首先介绍研究背景和意义，其次阐述相关理论知识，接着介绍所采用的设计方法，并讨论设计结果和实现过程。

最后对研究工作进行总结，提出未来的研究方向。

关键词：Ku频段，微波功率场效应晶体管，匹配，功率放大器Abstract：This paper mainly introduces the research on the design andimplementation of microwave power field effect transistor matching inKu band. With the development of wireless communication technology, the application of Ku band is becoming more and more extensive.However, the lack of high-power and high-efficiency Ku-bandmicrowave power amplifiers restricts the further development of itsapplication. Therefore, this paper aims to study the optimized design of microwave power field effect transistors matched in Ku band to improve the performance and power output of power amplifiers. This paper mainly includes the following parts: firstly, introduction of research background and significance, secondly, elaboration of relevant theoretical knowledge, then introduction of the design method adopted, and discussion of the design results and implementation process. Finally, the work is summarized and future research directions are proposed.Keywords: Ku band, microwave power field effect transistor,matching, power amplifier。

微波功率放大器设计及其应用研究一、微波功率放大器的设计原理1.1微波功率放大器的基本原理线性功率放大器的设计原理主要是通过使用有效的线性电路元件实现输入-输出线性关系，以尽可能保持信号的准确性和完整性。

常见的线性功率放大器包括B类功率放大器、AB类功率放大器和A类功率放大器。

非线性功率放大器的设计原理则注重于输出功率的最大化和效率的提高。

通过使用非线性元件来实现高效能的功率放大器，如C类功率放大器和D类功率放大器。

此类功率放大器常用于需要高功率输出但对信号质量要求较低的应用，如调频广播、通信传输等。

1.2微波功率放大器的设计要求1）增益和带宽：功率放大器应具有较大的增益和宽带特性，以保证微波信号能够被放大并保持信号的准确性。

2）线性度：对于线性功放，线性度是一个重要的设计参数，它直接影响着微波信号的失真程度。

因此，设计时要注意保持线性工作区域，以避免信号失真。

3）功率输出：功率放大器应能够提供所需的输出功率，并在整个工作频率范围内保持稳定。

4）效率：功率放大器的效率是指其输入功率和输出功率之间的比值。

高效的功率放大器不仅可以减少功耗，还可以减少散热问题。

5）稳定性：功率放大器应具有良好的热稳定性和电稳定性，以确保电路在各种环境条件下的可靠性。

二、微波功率放大器在通信系统中的应用研究2.1无线通信系统中的功率放大器无线通信系统中的功率放大器是将低功率微波信号放大成高功率信号，以扩大通信距离和提高通信质量。

在无线通信系统中，功率放大器通常用于射频发射系统、基站天线放大系统和卫星通信系统中。

2.2雷达系统中的功率放大器雷达系统中的功率放大器主要用于增强雷达发射信号的功率，以提高雷达系统的射程和目标检测能力。

功率放大器在雷达系统中通常用于雷达天线放大系统和雷达发射系统中。

2.3频谱监测中的功率放大器频谱监测是对无线电频谱进行监测和分析的过程，其主要目的是检测和定位无线电频谱中的干扰源和恶意干扰。

频谱监测中通常需要使用高功率放大器来增加接收信号的信噪比和动态范围，以提高干扰源的检测能力。

微波频段射频功率放大器设计方法研究随着无线通信的不断发展，微波技术越来越受到人们的关注。

微波是指波长在1mm至1m之间的电磁波，这种波长的电磁波具有特别的传输性能，可以在大气层内进行远距离传输，因此在军事、民用通信、雷达、卫星通讯等领域都有广泛应用。

微波功率放大器是微波通信系统中必不可少的元件，射频功率放大器也是其中的关键部件。

在微波设备中，定制的射频功率放大器可以提高通讯距离和传输速率，使信号更加稳定可靠。

本文将介绍射频功率放大器的设计方法，包括设计原理、设计流程和关键技术。

一、设计原理射频功率放大器是将低电平的射频信号转换成高电平信号，提高信号的功率输出。

射频功率放大器的主要设计指标包括增益、稳定性、线性度以及工作频率等。

为了满足这些指标，需要采取合适的设计方法。

常用的射频功率放大器设计方法有两种，即A类和B类放大器。

A类放大器适用于低功率和半功率，B类放大器适用于高功率。

A类放大器的主要特点是线性度好，但效率低；B类放大器效率高，但线性度稍差。

二、设计流程射频功率放大器的设计流程分为以下几个步骤：1. 确定工作频率：根据应用场景和信号特点选择工作频率，一般为微波频段。

2. 确定放大器的增益：根据信号要求和噪声系数选择放大器的增益，一般增益在10-30dB之间。

3. 选择放大器的器件：根据工作频率和增益选择合适的放大器器件，一般选择GaAs、GaAsP、SiGe等半导体材料。

4. 设计放大器电路：根据选择的器件设计放大器的电路，包括电容、电感、阻抗匹配等。

5. 调试测试：对设计好的放大器进行性能测试和优化调试，确保其满足信号要求。

三、关键技术射频功率放大器设计需要掌握以下关键技术：1. 射频电路设计：射频电路具有高频、高质量、微弱信号等特点，需要精确设计，包括阻抗匹配、电容、电感、损耗等。

2. 器件选型：根据工作频率和信号要求选择合适的器件，如GaAs、GaAsP、SiGe等半导体材料，以及射频开关、微波隔离器等器件。

微波功率放大器的设计与优化研究微波功率放大器是一个重要的电子元器件，能将微弱的微波信号放大到足够大的幅度，用于无线电通信、雷达信号发射与接收等领域。

本文将介绍微波功率放大器的设计与优化研究。

一、基础知识1. 微波功率放大器的工作原理微波功率放大器是将输入微波信号放大一定倍数后输出。

它通常由放大器芯片及其它元器件构成，如调谐电路、滤波器、功率分配器等。

微波功率放大器的工作原理是将输入的微波信号通过调谐电路条件，进入放大器芯片。

芯片内部的晶体管、场效应管等被激发，将微弱的微波信号放大，同时通过滤波电路来除去杂散信号，使放大信号更为纯净。

最后，功率分配器将输出信号分配到无线电通信网络、雷达信号发射或接收等领域使用。

2. 微波功率放大器的分类按工作频率可分为微波功率放大器、毫米波功率放大器等。

按放大器芯片类型可分为二极管放大器、场效应管放大器、HBT放大器和HEMT放大器等。

按功率级数可分为单级功率放大器和多级功率放大器。

按功率输出方式可分为共阴极、共源极和共基极。

二、微波功率放大器的设计微波功率放大器的设计是一个系统工程，涉及到诸多电子元器件和电路，需要考虑多个因素，如频率、增益、稳定性等，通常需借助模拟仿真软件进行模拟分析和优化设计。

1. 设计步骤（1）需求分析：明确需求和目标，如输入输出频率范围、增益和噪声系数等。

（2）选型：选取合适的放大器芯片、调谐电路、滤波器、功率分配器等元器件，保证整个系统互相匹配。

（3）电路设计：建立电路模型，运用基础电路理论和公式进行设计，同时需要根据实际情况进行调整。

（4）仿真分析：利用模拟仿真软件进行系统仿真分析，观察其频率响应、增益、稳定性等性能指标。

（5）优化调整：通过仿真结果优化调整电路，使性能指标达到预期水平。

2. 设计方法根据微波功率放大器的性质和设计需求，常用的设计方法有：（1）增益稳定方法：通过在电路中添加补偿电路或反馈电路达到稳定的效果。

（2）调谐法：为纠正放大电路的非线性特性和提高性能，通常需要通过选择合适的调谐电路来减少电路阻抗不匹配带来的非线性失真。

第４１卷第５期２０１８年１０月电子器件ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓＶｏｌ ４１㊀Ｎｏ ５Ｏｃｔ.２０１８收稿日期:２０１７－０９－１３㊀㊀修改日期:２０１７－１１－１１ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅＫｕ￣ＢａｎｄＧａＮＭＭＩＣＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒＳＵＮＪｉａｑｉｎｇꎬＺＨＥＮＧＷｅｉｂｉｎꎬＱＩＡＮＦｅｎｇ∗(ＮａｎｊｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｖｉｃｅｓＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００９６ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈａｔｔｈｅｈａｒｍｏｎｉｃｓｏｕｒｃｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｉｓｃｒｉｔｉｃａｌｔｏｄｅｖｉｃｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃａｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙａｆｆｅｃｔｄｅｖｉｃｅｏｕｔｐｕｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｐｒｏｖｅｄｂｙｔｅｓｔｉｎｇꎬａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｈａｒｍｏｎｉｃｓｉｎｔｈｅｍａｔｃｈｉｎｇｏｆｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｗａｖｅｓｃａｎｎｏｔｂｅｉｇｎｏｒｅｄ.ＡＫｕ￣ｂａｎｄ１２ＧＨｚ~１７ＧＨｚｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒＭＭＩＣｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄｕｔｉｌｉｚｉｎｇ０.２５μｍｇａｌｌｉｕｍｎｉｔｒｉｄｅＨＥＭＴｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｄｄｉｎｇｓｅｃｏｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｔｕｎｅｄ.Ｉｎｔｈｅｌａｔｅｒｓｔａｇｅꎬｓｏｍｅｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｃｈｉｐａｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｔｅｓｔｏｆｔｈｅｓｈｅｌｌａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｌａｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ.ＴｈｅＭＭＩＣｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄｕｓｉｎｇａｔｗｏ￣ｓｔａｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ.Ｐｏｗｅｒｍａｔｃｈｉｎｇｈａｓｂｅｅｎｕｓｅｄｉｎｔｈｅｏｕｔｐｕｔｓｔａｇｅｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｏｗｅｒａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ.Ａｎｄｓｅｃｏｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｔｕｎｅｄｈａｓｂｅｅｎｕｓｅｄｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅｓｔａｇｅｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ.Ｌｏｓｓｍａｔｃｈｉｎｇｈａｓｂｅｅｎｕｓｅｄｉｎｂｏｔｈｉｎｐｕｔａｎｄｍｉｄｄｌｅｓｔａｇｅｆｏｒｓｔａｂｉｌｉｔｙ.Ａｔ１２ＧＨｚ~１７ＧＨｚꎬｔｈｅＭＭＩＣｓｈｏｗｓａｎｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｏｆ３５ｄＢｍꎬｐｏｗｅｒｇａｉｎ１４ｄＢ~１５ｄＢａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒａｄｄｅｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ４０％.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＧａＮＭＭＩＣꎻＫｕ￣ｂａｎｄꎻｉｍｐｅｄａｎｃｅｍａｔｃｈｉｎｇꎻｌｏａｄｐｕｌｌꎻｈａｒｍｏｎｉｃＥＥＡＣＣ:１２２０㊀㊀㊀㊀ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００５－９４９０.２０１８.０５.０１２ＫＵ波段ＧａＮＭＭＩＣ功率放大器的研究孙嘉庆ꎬ郑惟彬ꎬ钱㊀峰∗(南京电子器件研究所ꎬ南京２１００９６)摘㊀要:测试验证了谐波的源端阻抗对于器件的性能以及输出特性有很大的影响ꎬ所以基波匹配中不能忽视谐波的影响ꎮ基于此研制了一款采用０.２５μｍ工艺ＧａＮ功率ＭＭＩＣ１２ＧＨｚ~１７ＧＨｚ放大器芯片ꎬ源端加入了谐波控制的部分ꎮ后期通过管壳测试以及后仿真分析功放的性能ꎬ提出一些改进芯片的方法ꎮ芯片采用二级放大的结构ꎮ末级匹配电路采用功率匹配ꎬ兼顾功率和效率ꎻ级间考虑二次谐波的匹配ꎬ进一步提高效率ꎮ输入和级间均采用有耗匹配ꎬ提高稳定性ꎮ芯片在１２ＧＨｚ~１７ＧＨｚ范围内漏压２８Ｖꎬ输出功率３５ｄＢｍꎬ功率增益１４ｄＢ~１５ｄＢꎬ最大功率附加效率大于４０％ꎮ关键词:ＧａＮＭＭＩＣꎻＫｕ波段ꎻ阻抗匹配ꎻ负载牵引ꎻ谐波中图分类号:ＴＮ７２２.７５㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００５－９４９０(２０１８)０５－１１４１－０４㊀㊀ＭＭＩＣ功率放大器虽然成本较高ꎬ但是由于其体积小㊁高增益㊁高效率以及良好的一致性可以广泛量产并应用在航天雷达等领域中[１－２]ꎮ同时ꎬ相比于ＧａＡｓꎬＧａＮ材料由于具有更大的禁带宽度㊁更高的热导率和击穿场强ꎬ在大功率应用中具有很大的潜力ꎬ因此ＧａＮＭＭＩＣ功率放大器近年来已经成为研究热点ꎮ射频功率放大器作为收发信机主要耗能模块ꎬ其工作效率的提高存在重要的意义ꎬ因此同时覆盖多个频带的高效率射频功率放大器成为研究的热门ꎮ尤其Ｋｕ波段在卫星通信领域存在着很大优势ꎬ相比于Ｃ波段的地面干扰很小ꎬ频率高ꎬ一般在１２.５ＧＨｚ~１８ＧＨｚ之间ꎬ不易受微波辐射干扰ꎬ大大地降低了对接收环境的要求ꎮ本文综合考虑ＧａＮＭＭＩＣ的优势ꎬ利用阻抗匹配的原理来实现功放的设计ꎬ同时加入了二次谐波调制的部分ꎬ用来进一步提高效率[３－６]ꎮ后期分别测试了芯片的效率和功率ꎬ根据测试的性能ꎬ静态电流ꎬ与实际仿真的结果ꎬ以及管芯的小信号和负载牵引(ｌｏａｄ￣ｐｕｌｌ)结果进行对比ꎬ综合考虑如何进一步改进芯片ꎮ１㊀电路设计测试实验证明ꎬ基波的源阻抗牵引(Ｓｏｕｒｃｅｐｕｌｌ)阻抗点对于基波负载牵引(Ｌｏａｄｐｕｌｌ)的最佳功率或者最佳效率阻抗点的位置没有太多影响ꎬ几乎没有改变ꎮ相反ꎬ源端的二次谐波阻抗对于输出端二次谐波阻抗最佳功率效率点的位置影响很大ꎬ最大效率相差电㊀子㊀器㊀件第４１卷１０％ꎬ而且这种差距不能由基波的阻抗匹配来补偿[７]ꎮ分析得出这主要是因为二次谐波的非线性ꎬ其非线性主要来源于两个部分:其一是由于栅源正向导通引起的截断现象ꎬ即电流饱和现象ꎻ其二是由于晶体管内部寄生参数ꎬ如Ｃｇｓꎬ引起的非线性[８－９]ꎮ说明输入端二次谐波的匹配对于效率的提升极为重要ꎮ基于现有的仪器和设备ꎬ使用Ｓｏｕｒｃｅ/Ｌｏａｄｐｕｌｌ测试台对管芯进行大信号测试ꎬ找到基波和谐波的最大功率效率点或者区域ꎻ同时利用小信号测得管芯的Ｓ参数ꎬ根据跨导最高点位置选择偏置选择漏压２８Ｖꎬ栅压－２.４Ｖꎮ首先测试基波的的最佳输入输出阻抗点ꎬ使其他谐波阻抗在５０Ω处ꎮ为了满足最大增益ꎬ需要不断改变基波源端阻抗ꎬ来测试漏端最佳阻抗点ꎬ最终确定最佳阻抗点ꎮ然后将漏极最佳阻抗点固定ꎬ用ｓｏｕｒｃｅｐｕｌｌ测试源端二次谐波阻抗点ꎬ使管芯输出最大效率ꎬ并确定其值ꎮ如图１和图２所示ꎮ图１㊀输出端基波阻抗图２㊀１２ＧＨｚ下输入端二次谐波阻抗分析得到的源端二次谐波阻抗点ꎬ发现其大多停留在靠近短路点的地方ꎬ如图３所示ꎮ电路设计考虑使用二级功放ꎬ从末级匹配开始一直匹配到第１级ꎮ末级管芯６ˑ９５ꎬ前级管芯４ˑ６０ꎮ由于没有管芯大信号模型ꎬ所以匹配设计采用Ｌｏａｄｐｕｌｌ配合小信号匹配ꎮ输入级采用小信号匹配的方法ꎬ即基于Ｓ参数测试匹配来获得更大的增益ꎻ末前级和末级选择Ｌｏａｄｐｕｌｌ匹配[１０]ꎮ首先是末前级ꎬ由前一级Ｌｏａｄｐｕｌｌ的最佳效率点匹配到末级管芯的小信号位置ꎬ同时将二次谐波阻抗匹配到末级输入二次谐波阻抗位置ꎬ由于基于Ｓｏｕｒｃｅｐｕｌｌ技术验证管芯的二次谐波阻抗大多位于Ｓｉｍｉｔｈ原图短路点附近ꎬ为了方便和减小匹配复杂度ꎬ在末级的输入匹配中引入一个ＬＣ网络ꎬ使其谐振在二次谐波处ꎬ实现二次谐波短路[１４－１５]ꎮ输入端ＬＣ网络如图４㊁图５所示ꎮ图６㊀电路仿真原理图利用ＡＤＳ仿真软件进行设计和仿真ꎬ整版仿真图如下ꎬ由于没有晶体管大信号模型ꎬ所以仿真结果只有小信号增益ꎬ驻波及稳定性等结果如图６~图８所示ꎮ图３㊀输入端二次谐波阻抗区域图４㊀输入二次谐波插损图５㊀级间二次谐波一端口Ｓ参数２４１１第５期孙嘉庆ꎬ郑惟彬等:ＫＵ波段ＧａＮＭＭＩＣ功率放大器的研究㊀㊀图７㊀小信号增益图８㊀输入驻波２㊀加工测试与结果分析将芯片在工艺线流片加工ꎬ得到的芯片照片如图９所示ꎮ图９㊀加工芯片版图末前级管芯的源端加入了二次谐波控制的部分ꎮ测试信号周期１ｍｓꎬ占空比１０％实际测试的功率和效率如图１０㊁图１１所示ꎮ图１０㊀初始测试输出功率测试得到低端更容易推饱和ꎬ但是功率增益比较低ꎬ需要注入到２４ｄＢｍꎮ通过后仿真Ｌｏａｄｐｕｌｌ测试得到输出匹配低端阻抗距离目标阻抗较近ꎬ高端有一定偏差ꎮ所以需要做后期调试同时分析级间和输入匹配ꎮ图１１㊀初始测试附加效率３㊀基于测试结果的分析和改进根据测试结果ꎬ首先是小信号ꎬ实测增益相比于仿真下降ꎬ特别是曲线有凹坑的部分ꎬ下降比较明显ꎬ驻波和仿真相似ꎮ大信号饱和状态下效率较低ꎮ刨除管壳的影响ꎬ分析测试过程发现ꎬ芯片存在栅流ꎬ漏极电流较大ꎬ这在实际的芯片设计中不应该存在ꎮ检查芯片发现栅级拓扑存在到地电感的结构ꎬ如图１２中１部分ꎬ虽然栅极加电有电阻ꎬ且栅电压很小ꎬ但是由于存在这种结构导致栅流出现会使加在晶体管栅极的电压降低ꎬ所以导致前级管芯静态工作点改变ꎬ前级管芯栅电压变小ꎬ从而导致漏电流增大ꎬ导致效率降低ꎮ并且由于静态工作点变化使前级管芯效率功率点偏移ꎬ所以同时也可能存在前级推不动后级的现象出现ꎬ导致功率增益下降ꎬ效率变低ꎮ图１２㊀加工芯片版图由于短路到地的微带线比较长ꎬ并且存在于输入级ꎬ所以对匹配的影响不是很大ꎬ故利用ＦＩＢ仪器对短路线进行切割ꎬ排除掉栅流对功率效率的影响ꎮ分析发现排除掉栅流对芯片的影响较大ꎮ特别是从芯片Ｌｏａｄｐｕｌｌ数据得到ꎬ效率较低的原因还包括输出级匹配的偏差和级间匹配的偏差ꎬ实际匹配的阻抗都是没有落在晶体管最佳阻抗点的区域ꎬ如图１３所示ꎮ所以第２步又对级间和输出级进行了调丝改进ꎬ使实际匹配的阻抗向最佳阻抗位置靠近ꎮ如图１２中２㊁３部分ꎮ改进后测试结果如图１４㊁图１５所示ꎮ３４１１电㊀子㊀器㊀件第４１卷图１３㊀实际阻抗和最佳阻抗位置图１４㊀调试修改后的输出功率图１５㊀调试修改后附加效率可以看出功率增益提高到１５ｄＢꎬ附加效率整体提高接近１０％ꎬ最低点提高到接近３０％ꎮ分析多组数据对比发现相比较之下低端效率更高ꎬ而高端效率相对比较低ꎬ除了末级匹配的因素ꎬ另一部分来源于源端二次谐波控制部分的高Ｑ值导致带宽很低ꎬ起作用的部分有限ꎮ而且在越高频ꎬ其谐波的作用越小ꎮ４㊀结论首先通过测试验证了源端做谐波匹配对效率的提升有作用ꎮ并且在功放设计中加入了二次谐波控制的结构ꎬ旨在提高放大器的效率ꎮ整个频带内ꎬ效率最高点大于４０％ꎮ但是由于谐波控制部分只能在较窄的频带内起作用ꎬ无法在宽带内实现ꎮ所以在功放设计中可以将谐波引入到效率较低的频带或者进一步优化拓扑谐波结构以实现整个频带内的高效率ꎮ参考文献:[１]㊀ＷａｎｕｍＭＶꎬＨｅｋＡＰＤꎬＶｌｉｅｔＦＥＶ.ＧａＮＣ￣ＢａｎｄＨＰＡｆｏｒＰｈａｓｅｄ￣ＡｒｒａｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ[Ｃ]//ＣｏｍｐｏｕｎｄＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＩｎｔｅ￣ｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔＳｙｍｐｏｓｉｕｍ.ＩＥＥＥꎬ２０１３:１－４.[２]ＣａｒｄｕｌｌｏＭꎬＰａｇｅＣꎬＴｅｅｔｅｒＤꎬｅｔａｌ.ＨｉｇｈＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＸ￣ＫｕＢａｎｄＭＭＩＣＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒｓ[Ｃ]//ＭｉｃｒｏｗａｖｅＳｙｍｐｏｓｉｕｍＤｉｇｅｓｔꎬ１９９６.ＩＥＥＥＭＴＴ￣ＳＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ.ＩＥＥＥꎬ１９９６:１４５－１４８ｖｏｌ.１. [３]ＹｕＸꎬＳｕｎＨꎬＸｕＹꎬｅｔａｌ.Ｃ￣Ｂａｎｄ６０ＷＧａＮＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒＭＭＩＣＤｅｓｉｇｎｅｄｗｉｔｈＨａｒｍｏｎｉｃＴｕｎｅｄＡｐｐｒｏａｃｈ[Ｊ].ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓꎬ２０１５ꎬ５２(３):２１９－２２１.[４]ＡｌｅｘａｎｄｅｒＡꎬＬｅｃｋｅｙＪ.Ａ１２０ＷａｔｔＧａＮＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒＭＭＩＣＵｔｉｌｉｚｉｎｇＨａｒｍｏｎｉｃＴｕｎｉｎｇＣｉｒｃｕｉｔｓｆｏｒＳ￣ＢａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ[Ｃ]//ＭｉｃｒｏｗａｖｅＳｙｍｐｏｓｉｕｍ.ＩＥＥＥꎬ２０１５:１－３.[５]ＧａｏＳꎬＢｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈＰꎬＳａｍｂｅｌｌＡꎬｅｔａｌ.ＭｉｃｒｏｗａｖｅＣｌａｓｓ￣ＦａｎｄＩｎ￣ｖｅｒｓｅＣｌａｓｓ￣ＦＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒｓＤｅｓｉｇｎｓｕｓｉｎｇＧａＮＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＧａＡｓｐＨＥＭＴ[Ｃ]//ＥｕｒｏｐｅａｎＭｉｃｒｏｗａｖｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓＣｏｎ￣ｆｅｒｅｎｃｅꎬ２００６.ＴｈｅＩＥＥＥꎬ２００７:１７１９－１７２２.[６]ＷｕＹＴꎬＢｏｕｍａｉｚａＳ.１０ＷｇａＮＩｎｖｅｒｓｅＣｌａｓｓＦＰＡｗｉｔｈＩｎｐｕｔ/ＯｕｔｐｕｔＨａｒｍｏｎｉｃＴｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｆｏｒＨｉｇｈＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＷｉＭＡＸＴｒａｎｓ￣ｍｉｔｔｅｒ[Ｃ]//ＷｉｒｅｌｅｓｓａｎｄＭｉｃｒｏｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅꎬ２００９.Ｗａｍｉｃｏｎ ０９.ＩＥＥＥ.ＩＥＥＥꎬ２００９:１－４.[７]ＸｕＹꎬＷａｎｇＣꎬＳｕｎＨꎬｅｔａｌ.ＡＳｃａｌａｂｌｅＬａｒｇｅ￣ＳｉｇｎａｌＭｕｌｔｉｈａｒｍｏｎｉｃＭｏｄｅｌｏｆＡｌＧａＮ/ＧａＮＨＥＭＴｓａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎＣ￣ＢａｎｄＨｉｇｈＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒＭＭＩＣ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭｉｃｒｏｗａｖｅＴｈｅｏｒｙａｎｄＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓꎬ２０１７(９９):１－１１.[８]ＣｏｌａｎｔｏｎｉｏＰꎬＧｉａｎｎｉｎｉＦꎬＬｉｍｉｔｉＥ.ＨｉｇｈＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＲＦａｎｄＭｉｃｒｏ￣ｗａｖｅＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒｓ[Ｍ].２００９.[９]李志群ꎬ王志功.射频集成电路与系统[Ｍ].北京:科学出版社ꎬ２００８.[１０]陶洪琪ꎬ张斌ꎬ余旭明.Ｘ波段６０Ｗ高效率ＧａＮＨＥＭＴ功率ＭＭＩＣ[Ｊ].固体电子学研究与进展ꎬ２０１６ꎬ３６(４):２７０:２７３.孙嘉庆(１９９２－)ꎬ男ꎬ汉族ꎬ甘肃天水人ꎬ２０１５年毕业于东南大学电子科学与工程学院ꎬ现为南京电子器件研究所在读研究生ꎬｂｅｌｌｗｍｚｙ＠１６３.ｃｏｍꎻ钱㊀峰(１９６９－)ꎬ男ꎬ汉族ꎬ江苏南京人ꎬ研究员级高工ꎮ现为中国电子科技集团第五十五研究所副总工程师ꎬ中国电子科技集团高级专家ꎬ主要从事ＧａＡｓ射频㊁微波单片集成电路相关的研制工作ꎬＱｉａｎｆ５５＠１２６.ｃｏｍꎮ４４１１。

在提取的ｌｉｐＲＯＯＴ模型的基础上对放大器电路１、２进行模拟、优化，在这过程中，根据ＨＰＲＯＯＴ模型的特点，对器件工作状态进行模拟，并由此调整匹配元件值。

小信号和输出功率模拟结果如图４、５所示。

５制作工艺和器件选择单片功率放大器采用０．５ｕｍＰＨＥＭＴ工艺，翻作的０．５ｍｍ栅宽器件ｆｍａｘ～６０ＧＨｚ左右·在Ｋｕ波段高端，器件频率特性比较临界，只能基本满足放大器对器件频率特性的需求。

同时由于采用矩形栅工艺（未采用Ｔ形栅工艺），因此器件单指橱宽不宜过大．设计中放大器１前级器件单指栅宽３５ｕｍ．后级器件单指栅宽５０ｕｍ；放大器２器件单指栅宽５０ｕｍ。

电容采用Ｓｉ，Ｎ‘和ＴａＯＩｖｌｌｌｖｌ电容，方块容值分别为２６０ｐｆ／ｍｍ２和６００ｐｆ／ｍｍ２。

电阻采用ＴａＮ金属薄膜电阻，方块阻值２５ｏ。

整个单片工艺在南京电子器件研究所中７６ｒａｍ工艺线上完成。

研制的放大器芯片如图６所示。

图６ａ放大器１芯片（芯片尺寸：１，４￥ｍｍＸ２．３ｒａｍ）研制结果由于放大器工作频率较高，常规的装配测试将对放大器的性能产生影响，不能准确的反映放大器的特性，较好的解决办法是采用微波探针在片测试。

图７所示的是微波探针测量的单片放大器ｌ的小信号特性。

将放大器单片装盒后测量的功率特性结果如图８所示。

从圈７和圈８的测量结果和模拟结果比较图６ｂ放大器２芯片（芯片尺寸：３．１５ｍｍＸ３．１４ｒａｍ）图７单片放大器１小信号测试结果图８ａ放大器１输出功率特性ｆＰｉｎ＝ｍｄＲｍｌ·３８２·图８ｂ放大器２输出功率特性（Ｐｉｎ－－－２４ｄＢｍ）分析可以看出。

实验结果与模拟结果比较吻合．这表明设计所采用的非线性模型ｌｉｐＲｏｏｔ＂模型在一定范围内准确、可用。

图９放大器电路框图图１０Ｋｕ波段功率放大器输出功率特性（Ｐｉｎ＝６ｄＢｍ）根据需求，按照图９所示的电路框图进行放大器的组装，由于采用Ｌａｎｇｅ耦合器进行功率合成，放大器具有非常好的输出驻波性能，在所需要的频段内，输岱驻波比基本在１．５以内．最终放大嚣的输出功率特性如图ｌ驯养示，输出功率大于３２ｄＢｍ．由于采用ＧａＡｓＩｖＩＭＩＣ芯片，整个放大器尺寸为２０Ⅱ蛐×１８ｍｍ×７ｍｍ。

Ku频段宽带功率合成放大器设计党章【期刊名称】《无线电工程》【年(卷),期】2015(45)8【摘要】在常用的微带两分支线电桥理论基础上，通过类似的奇偶模分析法对具备更宽工作频带的微带三分支线电桥进行了理论推导，得到了满足3 dB耦合条件时的各分支线特性阻抗计算公式。

借助3D电磁场仿真软件HFSS，对理论计算初值进行了仿真优化，最终得到工作带宽可覆盖整个Ku频段（12～18 GHz）的微带三分支线3 dB电桥。

采用该3 dB电桥背靠背地将2只功放管合成，在13～17 GHz频段内实现了输出功率高于35 W的宽带功率合成放大器。

%Microstrip 90°hybrid ring with three branches,which has wider operating band,is analyzed through even and odd mode method based on normaldouble⁃branch bridge,and the formula of each branch's characteristic impedance with hyb rid ring 3 dB couplingis derived.The final 90°hybrid ring circuit,which can operate within the whole Ku⁃band(12~18 GHz),is simulated and optimized by using 3D electromagnetic simulation software HFSS.A broadband power combining amplifier,which has more than 35 W saturated output power covering 13~17 GHz,is designed by using two power MMICs and the final 90°hybrid ring circuits backtoback.【总页数】4页(P58-61)【作者】党章【作者单位】中国西南电子技术研究所，四川成都610036【正文语种】中文【中图分类】TN72【相关文献】1.Ku频段高效50W连续波空间功率合成放大器 [J], 党章;黄建;邹涌泉;邓力;文杰2.Ku频段固态功率合成器设计 [J], 邓力3.Ka频段波导内空间功率合成功率放大器设计 [J], 卫少卿;陈冠军4.S频段200W功率合成放大器设计 [J], 解冰一;李春辉5.Ku频段功率合成器设计 [J], 刘其强因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。