基于小信號(hào)S參數(shù)的功率放大器設(shè)計(jì)

   目前，微波功率放大器的設(shè)計(jì)方法主要有以下幾種：

　　(1)動(dòng)態(tài)阻抗測(cè)量法。在實(shí)際的工作條件下，使用儀器測(cè)量功率管的動(dòng)態(tài)輸入阻抗以及輸出阻抗。通常輸出功率越大的功率管的輸入輸出阻抗越低，因此不容易得到準(zhǔn)確數(shù)值。

　　(2)負(fù)載牽引測(cè)試法?，F(xiàn)在有專門測(cè)量負(fù)載牽引用的儀器，把功率管裝配到測(cè)試架上，接到負(fù)載牽引的儀器上面，使用儀器改變放大器輸出端口的匹配負(fù)載，測(cè)量不同負(fù)載下的增益和輸出功率。這些數(shù)據(jù)可以直接在電腦上存取，使用方便，比過去使用的負(fù)載牽引的測(cè)試方法要簡(jiǎn)單，但是該儀器價(jià)格比較昂貴，只有專業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)管子的廠家才會(huì)配備。

　　(3)非線性分析法。如果能得到功率管的大信號(hào)非線性模型，可以使用軟件的非線性仿真功能來確定比較合適的負(fù)載阻抗和源阻抗，從而得到功率管的非線性性能。管子模型的建立比較困難，但是建模以后再次使用會(huì)比較方便。

　　(4)小信號(hào)S參數(shù)分析法。在小信號(hào)設(shè)計(jì)中確定最佳輸出阻抗通常使用負(fù)載線法，負(fù)載線法的主要工作是計(jì)算功率管的負(fù)載線，在使用的電壓確定的情況下，根據(jù)輸出功率參考功率器件資料中給定的電流-電壓曲線可以得到該曲線，從而確定出最佳輸出阻抗的實(shí)部。該方法使用仿真軟件就可以進(jìn)行，不需要昂貴的儀器，適用于大多數(shù)的設(shè)計(jì)情況。

　　除了高線性的功率放大器外，大部分的功放是工作在大信號(hào)狀態(tài)的，屬于非線性器件。理想情況下，設(shè)計(jì)者應(yīng)該使用功率管的大信號(hào)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但在大部分情況下，設(shè)計(jì)者很難獲得功率管的大信號(hào)參數(shù)，器件廠商提供的只有小信號(hào)S參數(shù)以及靜態(tài)I～V曲線。采用小信號(hào)S參數(shù)之前，首先根據(jù)I～V曲線計(jì)算出最大功率輸出時(shí)功率管的負(fù)載電阻，再通過匹配電路對(duì)功率管輸出電路進(jìn)行匹配，就能夠得到最大的輸出功率。同時(shí)也需要對(duì)輸入電路進(jìn)行匹配，以得到較高的增益和良好的駐波特性。

　　1 小信號(hào)法設(shè)計(jì)步驟

　　首先把功率管的小信號(hào)S參數(shù)輸入到仿真軟件，對(duì)其增益和輸入匹配電路進(jìn)行優(yōu)化，再利用功率管的I～V曲線確定器件在最大輸出功率時(shí)的漏極實(shí)部阻抗R。R既可以通過測(cè)量得到，也可以通過器件靜態(tài)I～V性來確定。一般來說輸出阻抗純實(shí)部負(fù)載阻抗R外，還有虛部阻抗，因此需要在在漏源之間并聯(lián)一個(gè)電容CDS。器件在封裝的時(shí)候會(huì)引入很多寄生元件，如果不考慮這些寄生元件得到的匹配電路通常都是不正確的，因此需要確定出封裝器件的這些寄生元件。從器件的小信號(hào)S參數(shù)提取則是一種比較方便實(shí)現(xiàn)的方法，為了減小工作量，通常使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行仿真。下面以Fujitsu公司的FLLl77ME為例說明功率放大器的小信號(hào)S參數(shù)設(shè)計(jì)方法。

　　2 小信號(hào)S參數(shù)法設(shè)計(jì)功率放大器實(shí)例

　　2．1 輸出電路匹配

　　(1)根據(jù)功率管I～V曲線，計(jì)算最大功率輸出時(shí)的負(fù)載線實(shí)部電阻R。

　　其中，VD是漏極的偏置電壓；VS為拐點(diǎn)電壓，約為2 V；Idss是飽和漏電流。

　　根據(jù)富士通公司給的FLLl77ME的資料的靜態(tài)I～V曲線，計(jì)算電阻最佳負(fù)載線可得VD=10 V；VS=1．8 V；Idss=0．6 A，則R=22．8 Ω。

　　(2)輸出端匹配的確定

　　只有正確的優(yōu)化輸出電路，才能得到最大的輸出功率，為了得到準(zhǔn)確的R，輸出匹配電路應(yīng)包含管子的封裝參數(shù)，其中包括管子CDS和漏極、源極所有寄生元件，并建立輸出電路仿真模型。從引言中我們知道從功率管的小信號(hào)S參數(shù)中可以取得封裝功率管的寄生元件。在軟件中建立模型的時(shí)候，這些封裝參數(shù)都需要用電路元件替代。建立好的功率管的輸出電路模型如圖l所示。

　　想要得到最大的輸出功率，必須對(duì)管子的匹配電路進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)先把管子的封裝寄生元件確定。使用測(cè)量和EM仿真對(duì)于一般設(shè)計(jì)者來說是比較困難，因此采用從小信號(hào)S參數(shù)中提取的方法。通常這些寄生的元件可模擬成串聯(lián)在柵極、漏極和源極的電感、電阻電路。該仿真模型的電原理圖使用Agilent公司的ADS軟件建立并分析。用ADS軟件的優(yōu)化功能調(diào)整改模型的S參數(shù)，使其和器件給定的小信號(hào)S參數(shù)基本相同，這樣就可以使用得到該管子比較準(zhǔn)確的寄生元件的數(shù)值。

　　2．2 輸入端匹配的確定

　　除了對(duì)輸出端進(jìn)行匹配外，還需要對(duì)輸入端進(jìn)行匹配，輸入端的匹配可以提高管子的增益，并且對(duì)輸出功率影響較小。采用常用的二段阻抗變換線作為輸入匹配電路，同時(shí)采用共扼匹配可以得到較高的增益，在仿真過程中要考慮尺寸突變帶來的電磁影響。

　　2．3 整個(gè)電路的仿真優(yōu)化

　　在對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，重要的一點(diǎn)就是原來的功率管必須使用前面擬真出來的的S參數(shù)文件代替，擬真出的S參數(shù)文件的模型是一個(gè)兩端口元件，輸入、輸出匹配電路分別接到這個(gè)兩端口元件的兩端。輸入匹配電路將50 Ω的源阻抗變換后匹配到功率管的柵極，輸出匹配電路將漏極的輸出阻抗匹配后變換為50 Ω的負(fù)載阻抗。同時(shí)匹配電路的分布參數(shù)也對(duì)頻率有影響，因此合適的匹配電路就是能在需要的頻率和帶寬內(nèi)使管子輸出最大的功率，并且具有較高的增益。整個(gè)仿真圖見圖2。

　　3 結(jié)束語

　　通過實(shí)際制作出功率放大器，測(cè)得功率放大器的增益為11．5 dB，1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率為32．3 dBm。根據(jù)FLLl77ME給的資料P1dB典型值為32．5 dBm，G1dB典型值為12．5 dB。由此可以看出匹配電路基本達(dá)到了資料給的數(shù)值。本電路是按照最佳輸出功率匹配的，所以輸出功率較大，但是增益有所降低。由測(cè)試結(jié)果可以看出，本放大器制作還是比較成功的。小信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)主要是簡(jiǎn)單易用，不需要專業(yè)的儀器和復(fù)雜的建模，比較合適制作飽和功放。在線性功放制作時(shí)由于不能對(duì)線性指標(biāo)(比如P1dB)等進(jìn)行直接計(jì)算，可能導(dǎo)致結(jié)果有偏差，因此設(shè)計(jì)者還需要依靠調(diào)試或者經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的修正。