基于FLM3135-18F的S波段微波功率放大器設計

　　1 引言

　　S波段微波功率放大器是雷達發(fā)射機、無線通信、測量設備等系統(tǒng)的關鍵元件。微波功放的增益、輸出功率、非線性等參數(shù)直接影響整個系統(tǒng)性能。S波段微波功率放大器研制的核心是大信號工作條件下功率放大器的輸入輸出寬帶匹配電路的設計。大功率功率放大器的輸出阻抗很低，一般在5 Ω以下，因而匹配電路的阻抗變換比很大，導致直接設計寬帶匹配電路困難。同時，功放的交調(diào)、諧波等非線性也與其匹配電路有關，電路設計時必須綜合考慮。

　　微波功率放大器關鍵在于輸入輸出匹配電路的設計。其功放匹配電路的設計可以采用近似線性的動態(tài)阻抗匹配、大信號S參數(shù)方法仿真，也可用諧波平衡法等非線性方法仿真。本文介紹了一種基于具有阻抗內(nèi)匹配性質(zhì)的場效應管設計的S波段功放，無需設計匹配電路，減少了優(yōu)化設計的功放模塊，因此縮短了研發(fā)周期，降低了設計成本，提高了技術指標。

　　2功率放大器系統(tǒng)設計

　　2.1 系統(tǒng)組成及原理

　　功率放大器系統(tǒng)的設計指標決定了其組成結(jié)構，設計線性功放設計的重點在于交調(diào)。分析三階交調(diào)特性，忽略放大器的記憶性，其傳輸特性可用三階泰勒公式近似表示為：
 
　　式中：Vout(t)為功放的輸出電壓，Vin(t)為功放的輸入電壓。當輸人為雙音信號，即Vin=A1cosω1t+A2cosω2t時，除了放大信號的頻率分量ω1和ω2，放大器還產(chǎn)生落在頻帶內(nèi)三階交調(diào)分量2ω1-ω2和2ω2-ω1，令A1=A2=4，代入式(1)，可得：
 
　　式中：IM3即三階交調(diào)。三階交調(diào)分量一般無法用濾波器濾除，必須選擇合適的放大器和設計適當?shù)钠ヅ潆娐贰Ｓ墒?2)可以看出，功放的輸人功率增加3dB，而三階交調(diào)則回退6 dB。

　　選用FLM3135-18F單級增益為10 dB～15 dB，為了滿足指標所提出的25 dB，必須級聯(lián)放大器。級聯(lián)放大器的驅(qū)動級對末級輸出的三階交調(diào)由下式計算可得：

 
　　式中：dIM3是驅(qū)動放大器的IM3引人的功放輸出IM3的變化量；IM3(driver)和IM3(final)分別表示驅(qū)動放大器和末級放大器的IM3(dBc)。

　　因此，由式(3)可得：

 
　　2.2 FLM3135-18F簡介

　　砷化鎵FET不僅用于小信號放大，還可用于功率放大器，其工作頻率可擴展至毫米波段，組合多個單一器件實現(xiàn)較大的輸出功率。確定FET的輸出功率容量取決于3個因素：漏-柵擊穿電壓，最大溝道電流和熱特性。要得到大的輸出功率除了上述3個因素外，還應避免引入阻性和容性參量，增大柵寬可任意增加溝道電流，但增大柵寬將增大許多寄生參量，特別是增加柵源電容和柵電阻，這樣增益將會隨柵寬增大而減少，因此，功率FET的功率增益較低，實際工作的FET功率放大器在進入飽以及1 dB起，增益則更低。另外漏極串聯(lián)電阻和源極電感的存在均使功率增益下降。

　　FLM3135-18F是FUJITS公司生產(chǎn)的工作頻帶為3.1 GHz～3.5 GHz的微波場效應管，內(nèi)部集成有
　　匹配的輸入輸出阻抗網(wǎng)絡。在50 Ω系統(tǒng)的標準通信頻帶內(nèi)可產(chǎn)生較理想的功率和增益。LM3135-
　　18F的基本性能參數(shù)如表1所列。

 　　2.3 第一級驅(qū)動放大器的設計

　　S波段FET的功率增益和集成功率放大器的增益一般為8 dB～12 dB，為滿足設計指標的輸出功率要求，末級功放需加前級驅(qū)動放大。驅(qū)動放大器不僅要有足夠的帶寬、增益和輸出功率，同時還要有足夠高的線性度不至于對系統(tǒng)的交調(diào)、諧波產(chǎn)生影響。由式(4)可知，為使驅(qū)動級對總體的交調(diào)指標影響小于1 dB，在輸出回退6 dB的測試條件下，IM3應小于-53 dBc。主要采取了兩種措施保證其線性度：一是驅(qū)動放大工作在A類放大器。A類放大器的線性最好，不會引入大失真，同時工作在A類放大器的功率場效應管一般輸入輸出阻抗Q值低，易于寬帶匹配；二是選用輸出功率大于所需功率的高線性GaAs功率放大管，采取冗余設計。

　　驅(qū)動級放大管選用Motorola公司的1 W GaAsFET。放大器的匹配電路采用微帶線和高Q值陶瓷電容的半集總電路形式，仿真用S參數(shù)近似GaAsFET的特性，然后再調(diào)整輸出匹配電路。實際測得輸出24 dBm，驅(qū)動放大器的IM3小于-60 dBc，基本不影響系統(tǒng)的輸出頻譜。圖1所示是驅(qū)動放大器的設計原理圖。

 　　2.4 末級功率放大器的設計

　　一般窄帶內(nèi)的功放管阻抗參數(shù)已知，設計功放匹配電路是整個系統(tǒng)設計的關鍵。即設計一個兩端口線性無源網(wǎng)絡，一端口負載為50 Ω，另一端口的輸出阻抗和功放管的輸出輸入阻抗共軛匹配。阻抗匹配的結(jié)果直接影響功放的輸出增益和功率。為了達到理想的匹配效果，往往采用微帶線和并聯(lián)電容的混合網(wǎng)絡實現(xiàn)功放的匹配電路，輸人輸出電路拓撲類似，采用低通電路結(jié)構。但是由于高功率GaAs FET的總柵寬很大，器件的阻抗很低，導致輸入輸出阻抗受封裝寄生電容和電感的影響，在管殼外匹配放大器電路非常困難，特別是在高頻，設計帶寬功率FET放大器最直接的方法就是在微波封裝內(nèi)使用內(nèi)匹配來解決器件的低輸入阻抗問題。

　　S波段FLM3135-18F微波管場效應管，具有內(nèi)部阻抗匹配網(wǎng)絡，因此，設計時只需重點設計電源配置網(wǎng)絡，而輸入輸出端可以利用集總元件和分布元件作為匹配網(wǎng)絡。寬帶和功率電平大于5 W時，通常選州集總元件作為功率FET的輸入匹配電路，利用鍵合金屬線實現(xiàn)集總電感，而電容則使用高介電常數(shù)陶瓷的金屬"絕緣體"金屬型。電容器的寄生電感和電阻必須小，并且具有足夠的熱和機械強度，小的溫度系數(shù)，40 V或更高的擊穿電壓。由于輸出阻抗比輸入阻抗高的多，輸出匹配網(wǎng)絡用集總和分布元件實現(xiàn)。圖2是末級放大器的原理圖。

 　　3 結(jié)束語

　　帶有內(nèi)匹配電路的微波場效應管FLM3135-18F輸人輸出特性好，帶內(nèi)功率、增益特性平坦，元需要設計復雜的輸入輸出電路，電路可靠性高。最終實測結(jié)果達到設計指標，滿足用戶要求，已成功用于某型號目標識別與感知平臺。