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(wú)線(xiàn)通信、 測量設備等系統的關(guān)鍵元件。微波功放的增益、輸出功率、非線(xiàn)性等參數直接影響整個(gè)系統性能。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(shí)，功放的交調、諧波等非線(xiàn)性也與其匹配電路有關(guān)，電路設計時(shí)必須綜合考慮。

　　微波功率放大器關(guān)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(xiàn)性的動(dòng)態(tài)阻抗匹配、大信號S參數方法仿真，也可用諧波平衡法等非線(xiàn)性方法仿真。本文介紹了一種基于具有阻抗內匹配性質(zhì)的場(chǎng)效應管設計的S波段功放，無(wú)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(shù)指標。

　　2 功率放大器系統設計

　　2.1 系統組成及原理

　　功率放大器系統的設計指標決定了其組成結構，設計線(xiàn)性功放設計的重點(diǎn)在于交調。分析三階交調特性，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(shí)， 除了放大信號的頻率分量ω1和ω2，放大器還產(chǎn)生落在頻帶內三階交調分量2ω1-ω2和2ω2-ω1，令A1=A2=4，代入式(1)，可得：

　　式中：IM3即三階交調。三階交調分量一般無(wú)法用濾波器濾除，必須選擇合適的放大器和設計適當的匹配電路。由式(2)可以看出，功放的輸人功率增加3dB，而三階交調則回退6 dB。

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

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

　　因此，由式(3)可得：

　　2.2 FLM3135-18F簡(jiǎn)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(gè)單一器件實(shí)現較大的輸出功率。確定FET的輸出功 率容量取決于3個(gè)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(gè)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(huì )隨柵寬增大而減少，因此，功率FET的功率增益較低，實(shí)際工作的FET功率放大器在進(jìn)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(chǎng)效應管，內部集成有匹配的輸入輸出阻抗網(wǎng)絡(luò )。在50 Ω系統的標準通信頻帶內可產(chǎn)生較理想的功率和增益。LM3135-18F的基本性能參數如表1所列。

　　2.3 第一級驅動(dòng)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(mǎn)足設計指標的輸出功率要求，末級功放需加前級驅動(dòng)放大。驅動(dòng)放大器不僅要有足夠的帶寬、增益和輸出功率，同時(shí)還要有足夠高的線(xiàn)性度不至于對系統 的交調、諧波產(chǎn)生影響。由式(4)可知，為使驅動(dòng)級對總體的交調指標影響小于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(xiàn)性度：一是驅動(dòng)放大工作在A(yíng)類(lèi)放大器。A類(lèi)放大器的線(xiàn)性最好，不會(huì )引入大失真，同時(shí)工作在A(yíng)類(lèi)放大器的功率場(chǎng)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(xiàn)性GaAs功率放大管，采取冗余設計。

　　驅動(dòng)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(xiàn)和高Q值陶瓷電容的半集總電路形式，仿真用S參數近似GaAsFET的特性，然后再調整輸出匹配電路。實(shí)際測 得輸出24 dBm，驅動(dòng)放大器的IM3小于-60 dBc，基本不影響系統的輸出頻譜。圖1所示是驅動(dòng)放大器的設計原理圖。

　　2.4 末級功率放大器的設計

　　一般窄帶內的功放管阻抗參數已知，設計功放匹配電路是整個(gè)系統設計的關(guān)鍵。即設計一個(gè)兩端口線(xiàn)性無(wú)源網(wǎng)絡(luò )，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(xiàn)和并聯(lián)電 容的混合網(wǎng)絡(luò )實(shí)現功放的匹配電路，輸人輸出電路拓撲類(lèi)似，采用低通電路結構。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使用內匹配來(lái)解決器件的低輸入阻抗問(wèn)題。

　　S波段FLM3135-18F微波管場(chǎng)效應管，具有內部阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )，因此，設計時(shí)只需重點(diǎn)設計電源配置網(wǎng)絡(luò )，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(luò )。寬帶和功率電平大于5 W時(shí)，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(xiàn)實(shí)現集總電感，而電容則使用高介電常數陶瓷的金屬"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，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(luò )用集總和分布元件實(shí)現。圖2是末級放大器的原理圖。

　　3 結束語(yǔ)

　　帶有內匹配電路的微波場(chǎng)效應管FLM3135-18F輸人輸出特性好，帶內功率、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(shí)測結果達到設計指標，滿(mǎn)足用戶(hù)要求，已成功用于某型號目標識別與感知平臺。