新一代寬帶寬功率放大器設(shè)計
混合分立式功率放大器設(shè)計
電路設(shè)計
我們前面展示的分布式放大器技術(shù)對MMIC效果明顯。然而,對于混合分立式設(shè)計來說,要實現(xiàn)多級是十分困難的。我們選擇采用一種橋接T拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),將單個晶體管的輸入端匹配至50Ω。我們選擇了合適的晶體管的尺寸,以便輸出端的50Ω端口與其目標(biāo)負(fù)載線完好匹配,因此,放大器輸出端可以不匹配。我們選擇了一款周長為1.24mm的晶體管。另外,借助周長為2.48mm的晶體管也可實現(xiàn)不錯的負(fù)載線,其一般具有更高的效率和更低的功率密度。要進一步優(yōu)化性能,可以在電路板級進行更多匹配。MMIC成品如圖4所示。芯片的最終尺寸為1.277mm ×1.06mm。用周長為2.48mm的晶體管(本文中未討論)打造的另一款芯片的尺寸為1.277mm ×1.305mm(大23%)。
圖4:用于混合分立式功率放大器解決方案的MMIC成品圖(左)和原理圖(右)。
橋接T拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是Zobel網(wǎng)絡(luò)的修改版,可以在輸入端提供恒定阻抗。用于匹配晶體管輸入端的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。該電路的匹配設(shè)計可在30MHz至2700MHz范圍內(nèi)提供良好的回波損耗性能。橋接T匹配的不足之處在于,網(wǎng)絡(luò)損耗較大。然而,在這些低頻下,晶體管擁有較大的增益,可以平衡掉這些損耗,從而使芯片在各種頻率下均能無條件保持穩(wěn)定。因此,對于該工作頻率,橋接T是一種非常合適的選擇,不會影響性能。
橋接T網(wǎng)絡(luò)的低頻性能在很大程度上取決于并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的阻抗。為了在低頻下實現(xiàn)實部阻抗,需要使用一個較大的電容。為此,我們用一個焊盤連接一個片外電容(見圖4中的外部電容)。由于MMIC的輸入端已匹配至50 Ω,因此,輸入網(wǎng)絡(luò)不需要進行其他匹配。此外,器件在尺寸設(shè)計上已在輸出端提供近50 Ω的負(fù)載線,因此,輸出匹配網(wǎng)絡(luò)只需要一個串聯(lián)L并聯(lián)C網(wǎng)絡(luò)以保障高頻性能,然后,在低頻下提供50Ω的負(fù)載阻抗以保障寬帶性能。輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)都采用了寬帶偏置網(wǎng)絡(luò),并部署在一塊4”×3”的應(yīng)用板上。
混合式放大器的測量值
我們在一塊用Rogers 4350B制成的電路板上對最終器件進行了測試。50Ω匹配輸入表現(xiàn)良好,能在40MHz至2.7GHz的范圍內(nèi)實現(xiàn)10dB的回波損耗,在低至30MHz的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)7dB的回波損耗(圖5)。器件在低頻下實現(xiàn)12dB的增益,在高頻下實現(xiàn)17dB的增益。
在32V和脈沖條件下,放大器實現(xiàn)了5W的典型輸出功率(或者,4W/mm的功率密度),在1至2.7GHz范圍內(nèi)實現(xiàn)45%的功率附加效率(圖6)。我們選擇了脈沖而非CW工作模式,因為評估板限制了總功耗。另外,我們在1至2.7GHz范圍內(nèi)對數(shù)據(jù)進行了測量,因為我們無法在1GHz以下構(gòu)建脈沖試驗臺。
討論
結(jié)果表明,兩款放大器均能在30~2700 MHz范圍內(nèi)工作,二者具有相似的輸出功率密度。完全匹配的MMIC在器件尺寸以及輸出功率的選擇方面表現(xiàn)出較大的靈活性,但其代價也比較大。另一方面,我們展示的混合式解決方案具有較為獨特,器件尺寸固定,因此對性能形成了限制;較小或大得多的晶體管都無法在整個帶寬范圍內(nèi)取得良好效果。但是,由于芯片尺寸非常小(為MMIC的1/4,但功率僅少一半),因此其代價更能令人接受。另外,最多可以使用兩倍周長的晶體管,可實現(xiàn)類似MMIC的性能,芯片尺寸增幅也不大(23%),并且混合式解決方案可使用外部元件進行調(diào)整,以在特定頻段范圍內(nèi)實現(xiàn)更加優(yōu)化的性能。然而,MMIC解決方案由于要處理的寄生電容較少,所以可以實現(xiàn)卓越的性能。歸根結(jié)底,如果系統(tǒng)側(cè)重于打造一種低成本的解決方案,并且可以犧牲一定的性能,則混合式解決方案是更合適的選擇。然而,如果系統(tǒng)要求以較高的代價提供特定的性能,則MMIC解決方案是更好的選擇。盡管如此,實踐表明,兩種設(shè)計技術(shù)都是寬帶條件下的有效選擇。
圖5:混合MMIC分立式功率放大器的小信號S參數(shù)實測值。
圖6:混合式解決方案的實測Pout和漏極效率。放大器驅(qū)動至3dB壓縮點,所用脈沖寬度為100us,占空比為20%。
結(jié)論
本文介紹了兩種不同的放大器平臺,即全集成式MMIC和混合封裝式放大器,兩者均可在30 ~2700MHz范圍內(nèi)實現(xiàn)領(lǐng)先的性能。其實現(xiàn)方法是在MMIC上運用行波技術(shù),在混合式設(shè)計中,則是運用橋接T拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使晶體管匹配至50Ω。兩種技術(shù)各有優(yōu)點,在性能和成本方面各有折衷。