PHEMT MMIC功率放大器设计与实现

0 引 言

随着微波通信技术的发展，人们对通信系统的要求越来越高，比如小型化、可靠性等，微波单片集成电路(MMIC)凭借小型紧凑、稳定性好、抗干扰能力强、批量生产成本低和产品性能一致性好等特点成为军事电子对抗及民用通信系统最具吸引力的选择。赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)具有增益、噪声、功率方面更加良好的特性，成为微波与毫米波单片集成电路和超高速数字集成电路领域最具竞争力的有源器件之一，当前，PHEMT MMIC研究已经成为MMIC研究的一大热点。本文的功率放大器便是采用PHEMT工艺技术，设计要求工作频段在3～4 GHz左右，其工作带宽要求大于500 MHz，要求信号线性特性好，频带内增益平坦度平滑，电路工作性能稳定。其功率增益的要求为30 dB左右。

1器件选择

设计采用PHEMT MMIC功放单片TC3331，TC3331是两级的MMIC功率放大器。工作频段为3.3～3.8 GHz(-3 dB带宽)，可以实现带宽500 MHz，P-1dB输出功率为30 dBm，G1dB功率增益为30 dB，工作电压一般为7 V，电流为700 mA。输入驻波比VWSR最大值为2：1。具有低成本、高性能的优点。该功放管电源偏置采用的是正负电压的偏置方式。在栅极和漏极的传输线上分别提供负压和正压偏置，这样的偏置方式适合手高功率、高效率放大器的设计，而且引入的源极反馈最小，对管芯的参数变化不会明显，放大器容易稳定。

2直流偏置电路设计

在进行功率放大器设计时，一定要让电路在正确的直流偏置状态下运行。为了保护场效应功率管，一般都要求先给器件的栅极提供直流偏置，再给漏极提供直流偏置。基于MMIC器件的功率放大器设计中，直流偏置电路不仅要隔离射频信号，而且能提供放大器正常工作时的时序偏置电压和电流。为了保证芯片的安全正常工作，使直流供电电路具有时序的开关响应，选用负压器件MAX881R，一方面提供功放芯片所需的负电压，另一方面在负压稳定后产生控制电平的POK，实现供电电路的时序特性。同时选用高速开关器件IRF9540N，完成对功放单片的供电控制。MAX881R的模型和主要控制时序图如图1和图2所示。

由图2可以看出，当芯片MAX881R开始工作时，7脚OUT输出负电压-2 V，通过分压电路设置转换为合适的负压然后送给功率放大器芯片TC3331的栅极，以满足VGS的需要。当VGS的电压到达输出要求的92.5％时，4脚POK由高电平变为低电平使得IRF9540N开关管导通工作(图3)，输出高电平，然后通过IRF9540N的源极给功率放大器芯片管的漏极VDS供电，从而实现对功放管时序供电和控制。

3 电磁兼容性屏蔽设计

为了满足一定的电磁兼容(EMC)特性，尽量减少功放电路的微波辐射信号对整个电路的影响，设计了功放屏蔽盒来满足这些条件。在设计时把微带电路(包括有源和无源器件)放入盒体内，工作在其频率以下将会减小微波元件由于辐射信号造成的影响。

对于矩形波导，截止频率的理论方程是：

式中：fcoff是截止频率(Hz)；c是光速(3×108m／s)；b是矩形腔体的宽边(m)，方程中假设了空气的介电常数是1。

可以看到，该屏蔽盒的宽度b是个关键的尺寸，为避免盒体内空间产生波导输出效应，盒体的宽度必须满足：

式中：λH是工作频段高端频率的波长，如果不满足式(2)，在盒体内就可能产生波导型传播。在电路中微带线的开路端、跳变、分支结构等不均匀处都会产生微波辐射，电磁场将以波导模式在盒内空间传播影响到放大器的性能。当反向传播的电磁波构成正反馈时，会导致频带内增益平坦度变坏，在某些频率点上出现尖锋。反馈过强时，还容易出现自激振荡。同时，屏蔽盒相当于一个密闭的谐振腔，具有谐振效应，当电路工作频率接近其谐振频率时，部分能量被吸收，因而产生衰减的尖峰。设计时往往需修改屏蔽盒体尺寸，以避免谐振频率落于微带电路的工作频带内。

4电路仿真与分析

结合上述理论基础和相关设计，在ADS中经过性能仿真和优化设计，在Protel中构建整个电路系统的原理图如图4所示。

整体电路原理图中上面部分是可调解直流电源，位于功放屏蔽盒的外的硬件电路板，为功放电路提供正确的电压供给，通过LM317可变电压的缓慢调解，可以适当的改变功放电路的增益大小，增益动态范围约6 dB。电路中间部分为功放电路的直流偏置电路，直流电源提供正确的电压值给MAX881R。芯片MAX881R的7脚OUT一般输出为-2 V，但是该输出值是可以通过6脚FB外接电路调节的，通过电阻R6和R7与6脚FB接合在一起进行电路分压，此时OUT输出的值为-1 V，以满足TC3331直流偏置Vg=-1 V的供电要求。调节的计算公式如下：

因为TC3331要求Vg=-1 V，所以通过式(3)可计算得R4=R5=100 kΩ。IRF9540N由4脚POK驱动控制，当无电源供给时(VCC=0 V)，MAX881R芯片4脚处于高电平，控制IRF9540N工作于截止状态，源极无电压输出；当有正确电源(VCC≠0)供给时，经过一段时间MAX881R达到稳定后，4脚输出变为低电平，此时控制IRF9500N导通正常工作，提供给功放管TC3331正常的漏极电压Vd。对实际放大器电路进行测试，测试输入信号源采用中心频率为3.40 GHz振荡器和100 MHz的UWB信号，测试的结果如图5，图6所示。

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2019-4-15 16:30 上传

图5是对振荡信号放大的前后对照测试图，可以看到信号的功率从-1.78 dBm增加到22.18 dBm，增益约24 dB，由于功放的接入对振荡器输出匹配特性和输出S参数特性有一定的影响，再加上突发脉冲、噪声的干扰等因素，使得功放放大后的振荡信号的中心频率发生了少许的偏差，偏低了约20 MHz(误差允许范围内)，整体性能良好，相位噪声较低，频率稳定性较高。图6是对UWB信号测试的结果对照图，信号的功率从-5.11 dBm增加到22.45 dBm，增益约27.5 dB，小信号增益已经接近功放管的理想放大增益值30 dB。可以看出图6(b)中UWB信号的频谱比图6(a)放大后UWB信号的频谱有更平滑的信号频谱特性，说明UWB信号的波形失真小，该放大器的线性度高，可以满足系统的设计要求。

5结语

对PHEMT MMIC功率放大器进行了全面的优化设计和实现，并通过功放硬件电路实测，测试结果证明了设计方案的可行性，功放电路的增益与理论基本一致，满足系统的性能要求。功放盒体设计除考虑结构和散热设计要求外，还考虑到了电路腔体内部电磁兼容特性的影响，确保了整个功放的稳定性和可靠性；方案采用了模块化的设计思路，设计好的直流电压源、偏置电路、直流供电模块、功率放大结构均具有较好的通用性。