可變增益的功率放大器單片微波集成電路

根據電壓控制增益電路理論及放大器設計原理，設計制作了一種基于GaAs工藝的可變增益功率放大器單片微波集成電路( MMIC)。采用電路仿真ADS軟件進(jìn)行了原理圖及版圖仿真，研究了增益控制電路在放大器中的位置對性能的影響。最終實(shí)現了在6～9GHz頻率范圍內，1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率大于33 dBm，當控制電壓在－1～0 V之間變化時(shí)，放大器的增益在5～40dB之間變化，增益控制范圍達到了35 dB。將功率放大器與增益控制電路制作在同一個(gè)單片集成電路上，面積僅為3.5 mm×2.3 mm，具有靈活易用、集成度高和成本低的特點(diǎn)，可廣泛應用于衛星通信和數字微波通信等領(lǐng)域。

甚小口徑終端(verysmall aperture terminal，VSAT)和數字微波通信(也稱(chēng)P2P通信)系統為商用微波無(wú)線(xiàn)信息傳輸系統，具有覆蓋范圍大、集成化程度高、對所有地點(diǎn)提供相同的業(yè) 務(wù)種類(lèi)和服容性好、擴容成本低、所需時(shí)間短、通信質(zhì)量好和安裝方便的特點(diǎn)。

功率放大器是微波無(wú)線(xiàn)信息傳輸系統的核心元器件，其性能直接影響發(fā)射機的作用半徑、線(xiàn)性特性以及整個(gè)系統的效率，它通常是系統中成本最高的元器件。當代微波無(wú)線(xiàn)信息傳輸系統小型化的趨勢越來(lái)越明顯，這就要求元器件的集成度越來(lái)越高。

國外開(kāi)展商用單片功率放大器研究較早，其中日本Eudyna公司的產(chǎn)品性能較佳，占領(lǐng)的市場(chǎng)份額最大，美國Hittite公司和Triquint公司也在近兩年推出了相應的產(chǎn)品。中國在GaAs材料生長(cháng)和器件研制方面也積極開(kāi)展了相關(guān)的研究工作。

由于該功率放大器應用于商用領(lǐng)域，所以對其性能和成本都有較高的要求，本文通過(guò)電路設計，將常規功率放大器的功能進(jìn)行擴展，增加增益控制功能，能夠在實(shí)現系統小型化的同時(shí)，降低成本，同時(shí)，不會(huì )影響功率放大器的輸出功率和效率等相關(guān)指標。

本文采用目前制作微波單片集成電路成熟的GaAs贗高電子遷移率晶體管(PHEMT)工藝進(jìn)行多功能功率放大器的研制，其工藝穩定，成品率高，在縮短研發(fā)周期和降低成本方面具有不可替代的地位。本文研制 的多功能功率放大器單片集成電路的面積與同樣指標的功率放大器面積一樣，約為8 mm²，傳統室外單元的電壓控制可變衰減器(VVA)的面積約為1.7mm²，可見(jiàn)文中的多功能功率放大器將芯片面積節省了17.5%，有利于系統的小型化和成本的降低。

1 增益控制電路的設計原理

增益控制電路的作用是通過(guò)改變控制電壓，達到改變放大器增益的目的。增益控制電路在放大器中的位置至關(guān)重要，若放置于放大器的末級，會(huì )由于自身的損耗而影響輸出功率，放置于中間，會(huì )使放大器的中間級因無(wú)法將末級推飽和，從而影響效率。通過(guò)以上分析，將增益控制電路放置于放大器的第一級。

增益控制電路的原理如圖1所示，由兩個(gè)場(chǎng)效應晶體管組成，FET₁的漏極與FET₂的源極連接在一起，射頻信號從FET₁的柵極輸入，從FET₂的漏極輸出。圖1中:V_c為控制電壓;V_gs為柵壓;V_dd為漏壓;V₁表示兩個(gè)FET連接點(diǎn)的電壓;I_ds為FET₁和FET₂的漏極到源極的電流，圖1中FET₁的源極和FET₂的漏極連接于同一節點(diǎn)，所以I_ds同時(shí)流經(jīng)FET₁和FET₂。該電路通過(guò)改變V_c的電壓值來(lái)改變增益。

圖1 增益控制電路拓撲圖