基于ADS的宽带微波功率放大器设计

姜雨男

（江苏自动化研究所，江苏 连云港 222061）

基于ADS的宽带微波功率放大器设计

姜雨男

（江苏自动化研究所，江苏 连云港 222061）

宽带微波功率放大器在雷达和电子对抗中的应用越来越广泛，而宽带微波功率放大器的设计在国内还处于起步阶段。本文采用实频技术方法和负载线仿真的方法设计了输入输出匹配电路，并使用先进的微波电路设计软件ADS对电路进行了优化和仿真，最终设计出一款X波段宽带微波功率放大器。

宽带微波功率放大器；S参数；匹配电路

1 引言

由于无线通信的飞速发展,满足不同需求的通信系统应运而生，不同通信标准、不同工作模式的多种系统并存，给人类生活带来极大的方便。人们希望不仅能在不同地方进行通话，而且要求开展数据、传真等非话业务的服务。这些需求促使移动通信技术高速发展,通信的频率不断提高,通信的带宽逐渐增加,使用的设备快速更新换代，对于核心部件的微波功率放大器的要求也越来越高[1-2]。宽带微波功率放大器以其低非线性失真以及良好的匹配性等特点，成为现代无线接入技术和远程通信系统中的一种极为重要的放大器类型。在过去的10年里，相控阵雷达系统在军用和民用领域发展迅速。相控阵雷达特别是有源相控阵雷达近年来有了高速发展，推动其发展的主要原因是对雷达性能的要求日益提高。由于微波功率放大器在雷达系统中的心脏作用，因而微波功率放大器成为制约系统性能和技术水平的关键部件，其性能的优势将直接影响到整个系统的质量。

2 宽带微波功率放大器匹配电路

2.1 宽带微波功率放大器输入输出匹配电路

对于单级功率放大器而言，主要是设计输入匹配电路和输出匹配电路，而设计多级功率放大器则还需要设计级间匹配电路。在功率放大器设计中，输入和输出匹配电路基于特定的匹配功能而遵循不同的设计原则。输入匹配电路是用来实现放大器输入端口与信号源之间的匹配，它把放大器呈现的复数阻抗变换为与信号源阻抗共轭匹配，以获得最大功率增益匹配。输入匹配电路主要解决稳定性、增益、增益平坦度、输入驻波等问题。输出匹配电路用来完成放大器的输出端口与负载之间的匹配，其主要作用是提高输出功率、改善输出驻波比和抑制谐波。因此，增益及其平坦度的问题主要放在输入端来解决，补偿微波晶体管的自身增益滚降。微波功率放大器的输入输出阻抗都很小，大概只有几欧姆的量级。其中输入阻抗更小，而且虚部随频率变化较大。因此微波功率放大器的输入阻抗变换比较大，匹配电路较难设计。在保证增益及其平坦度的同时很难获得较小的输入驻波比，宽带设计中此问题更加突出[3]。

2.2 匹配网络实现

微波功率放大器的匹配网络的实现途径主要有：集总元件法，分布参数法。利用分布参数法来实现阻抗匹配的方法主要有以下三种方法：①1/4波长阶梯阻抗变换器；②微带渐变线阻抗变换器；③微带低通阻抗滤波阻抗变换器。1/4波长阶梯阻抗变换器通常要求阻抗变化比小于5，且频率范围不易太宽，否则不易匹配。微带渐变线和微带低通滤波阻抗变换器两种方法匹配带宽比较宽，体积小，尤其是微带低通滤波阻抗变换器，它不仅具有阶梯阻抗变换器的性质，而且结构紧凑，阻带衰减大，可起到滤波和阻抗变换双重作用。

3 宽带微波功率放大器设计

3.1 设计指标

本文以实际项目需要的微波功率放大器为实例，讨论了其分析和设计的过程。该放大器的主要指标为：工作频率为X波段；功率增益大于5dB；增益平坦度1dB。

3.2 稳定性设计

放大器电路必须首先满足的条件是在工作频段内的稳定性。这对于微波电路是非常重要的，因为微波电路在某些工作频率和终端条件下会产生振荡，使放大器的增益急剧增大而烧毁晶体管。因此，放大器设计的第一步就是判断放大器的稳定性，然后加入电路元件保证其在工作频段内的稳定性。我们将放大器视为一个两端口网络，该网络由S参数来描述，根据其稳定性能可分为两类：一类是绝对稳定；另一类是潜在不稳定[4]。所谓绝对稳定是指当信号源阻抗ZS和负载阻抗ZL为任何值时，放大器都能工作。其绝对稳定的条件如下[5]：

本次设计中，对所选择的功放管进行S参数扫描，其稳定性曲线如图1所示，可见在X波段范围内是绝对稳定的。

图1 稳定曲线

3.3 输入输出匹配电路设计

微波功率放大器的设计步骤是先设计输出匹配电路，然后再设计输入匹配电路。本次设计，输出匹配电路采用负载线仿真方法设计，输入匹配电路采用实频技术法设计[6]。微波功放管的功率增益都是随着频率升高，以每倍频程大约6dB规律下降。为了实现宽带放大，就必须对增益的滚降特性进行补偿，使低频段增益降低。然而宽频带内低频段增益的降低必然使驻波比变坏。此外，功率管输入阻抗也随频率有很大变化，这就增加了宽频带匹配电路的复杂性。为了得到高增益和最大输出功率,匹配电路将50Ω源和负载阻抗变换到合适的阻抗,匹配MESFET管的源极和漏极。匹配电路含有电抗元件,因此对频率有选择性；匹配电路也决定了放大器的中心频率和带宽。

3.3.1 输出匹配电路设计

输出匹配电路主要是提高输出功率、改善输出驻波比和抑制谐波。为了达到最大输出功率，输出匹配电路必须对输出阻抗进行优化,首先应计算管子的负载线阻抗RL。本次设计所选择的功率管参数为：漏级偏置电压Vb为10V；曲线的拐点电压Vs为1.8V；VGS=0V时的漏级电流Idss为0.8A。

负载牵引实验表明,输出匹配电路表示管子漏极负载,除了考虑纯负载线电阻外,还必须考虑匹配一个小电抗,即与RL并联的电容Cds。Cds值已由实验得到,约每毫米栅宽0.10 PF。有了上述的元件值就可以进行输出匹配电路的设计工作。

输出匹配电路采用共扼匹配，先在单频点上设计出匹配网络，然后在整个频段优化匹配电路，以最大限度发挥功率管的输出功率能力，使放大器在整个频带范围内都能等功率输出。设计的输出匹配电路结构如图2所示。

图2 输出匹配电路

3.3.2 输入匹配电路设计

输出匹配电路设计完成后，就可以进行输入匹配电路的设计。输入匹配电路主要解决增益平坦度、输入驻波等问题。本文采用实频技术方法来设计输入匹配电路。相比解析方法，实频技术法的最大优势在于它不需要负载阻抗的解析表达式，只需要离散频点上的负载阻抗数据就可以了，而这些数据在实际应用中是较容易测量的。实频技术法的计算流程为：用分段的线性函数近似所要设计的匹配网络的输出电阻；输入离散频点上的负载阻抗和预定增益；确定匹配网络在指定频点上的输出电阻；用希尔伯特变换计算匹配网络的输出阻抗；计算匹配网络在指定频点上的增益；找到可以近似匹配网络输出电阻的线性函数；确保线性的输出电阻函数是稳定的变换函数；用盖维茨方法计算匹配网络的输出阻抗函数；计算匹配网络的输出电抗函数；用连分式把电抗函数展开；根据展开式综合出匹配网络。实频技术法设计的输入匹配电路如图3所示。

图3 输入匹配电路

3.4 电路总拓扑图和仿真结果

用实频技术法设计出的匹配网络由集总元件构成，把集总元件转化为分布元件，再对输入输出网络进行总体调试。图4给出了微波功率放大器输入输出匹配电路总拓扑图，其仿真结果如图5和图6所示。

图4 微波功率放大器总拓扑图

图5 微波功率放大器增益

图6 微波功率放大器稳定系数

图4为电路的总拓扑图，它由输入匹配电路和输出匹配电路构成。最终放大器的仿真结果如图5和图6所示，在X波段，单管增益达到5.5dB，增益平坦度为1dB；稳定系数大于1，稳定因子大于0，电路稳定，达到了设计指标的要求。

4 结论

本文采用实频技术方法和负载线仿真的方法设计了一款X波段宽带微波功率放大器。该放大器信号增益达到5.5dB，增益平坦度为1dB，电路稳定，既可作为独立的放大器，也可作为相控阵雷达功放组件的基本放大单元，在无线通信、雷达、电子战等领域有着广泛的应用前景。

[1]Apel T，Bhatia R，Lauterwasser B．High Performance Wide-Band &Medium-Band Power Amplifier MMICs．IEEE GaAs IC Symposium．October 10-13，1993，San Jose，CA，359-362．

[2]Le H．An X-Band High-Efficiency Ion-Implanted MMIC Power Amplifier．IEEE Microwave and Millimeter-Wave Monolithic Circuits Symposium．June 10-11，1991，Boston，MA，pp 89-91．

[3]陈惠开．宽带匹配网络的理论与设计[M]．北京：人民邮电出版，1982．

[4]Guillermo Gonzalez．Microwave Transistor Amplifiers Analysis and Design[M]．白晓东，译．北京：清华大学出版社，2003．

[5]Edwards M L，Sinsky J H．A new criterion for linear 2-port stability using a single geometrically derived parameter．IEEE Transactions on Microwave Theory and Tech，1992，40(12):2303-2311．

[6]Carlin H J．The Double matching problem:Analytic and real Frequency solutions，IEEE Trans．CAS，Jan．1983．

Design of Wideband Microwave PowerAmplifier Based onADS

Jiang Yunan
(JiangsuAutomation Research Institute,Lianyungang 222061,Jiangsu)

act】 Wideband microwave power amplifiers are increasingly extensively applied in radar and electron countermeasure while wideband power amplifier design is still in initial stage in China.The real frequency technique and load line simulation are used to design the input and output matching circuit.And ADS is used to optimize and simulate the circuits.Finally one X-Band wideband microwave power amplifier is designed.

wideband microwave power amplifier;S parameters;matching circuits

TN722

A

1008-6609(2015)03-0079-03

姜雨男，男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生，工程师，研究方向：火控系统。