題目：C波段功率放大器設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u5335摘要 C波段功率放大器設(shè)計摘要C頻段是一個綜合性能比較好的電磁波頻段，是指頻率在4-8GHz的無線電波頻段。C波段功率放大器是發(fā)射機中的一個重要組件，是微波發(fā)射系統(tǒng)中的關(guān)鍵。GaN功率管具有高擊穿電場、寬帶隙等特性,使其擁有高效特性、帶寬較寬等優(yōu)點。由于具備這些優(yōu)點，寬禁帶半導(dǎo)體功率器件可以明顯提高電子信息系統(tǒng)的性能，廣泛應(yīng)用于雷達、通信、戰(zhàn)斗機、海洋勘探等重要領(lǐng)域。本文是基于ADS仿真軟件對一款C波段功率放大器進行電路設(shè)計和仿真，通過晶體管的小信號S參數(shù)，對功率管的輸入、輸出阻抗匹配電路及其偏置電路進行優(yōu)化設(shè)計，使整個設(shè)計性能達到設(shè)計要求。指標要求如下：在5-6.5GHz的頻段范圍內(nèi)，增益大于38dB，增益平坦度小于2dB，輸入輸出駐波比小于2。關(guān)鍵詞：功率放大器；GaN；半導(dǎo)體；S參數(shù)；C-bandpoweramplifierdesignAbstractbandisanelectromagneticwavebandwithbettercomprehensiveperformance,whichreferstotheradiowavebandwithafrequencyof4-8GHz.TheC-bandpoweramplifierisanimportantcomponentinthetransmitterandthekeyinthemicrowavetransmissionsystem.GaNpowertubeshavethecharacteristicsofhighbreakdownelectricfield,widebandgap,etc.,sothattheyhavetheadvantagesofhighefficiencyandwidebandwidth.Becauseoftheseadvantages,wide-bandgapsemiconductorpowerdevicescansignificantlyimprovetheperformanceofelectronicinformationsystems,andarewidelyusedinradar,communications,fighteraircraft,marineexplorationandotherimportantfields.ThisarticleisbasedonADSsimulationsoftwareforthecircuitdesignandsimulationofaC-bandpoweramplifier,throughthesmallsignalSparameterofthetransistor,tooptimizethedesignoftheinputandoutputimpedancematchingcircuitandbiascircuitofthepowertube,sothattheoveralldesignperformanceMeetthedesignrequirements.Theindexrequirementsareasfollows:Inthefrequencyrangeof5-6.5GHz,thegainisgreaterthan38dB,thegainflatnessislessthan2dB,andtheinputandoutputstandingwaveratioislessthan2.Keywords:poweramplifier;GaN;semiconductor;Sparameter;第1章緒論1.1課題研究的目的及意義射頻功率放大器對于無線發(fā)射機來說，是一個十分重要的部分。由于在調(diào)制電路中產(chǎn)生的射頻信號功率較小，所以要想獲得滿足要求的射頻功率信號，就必須經(jīng)過多級放大電路，最后才能通過天線，將放大后的信號發(fā)射。而射頻功率放大器就是用來獲取滿足要求的射頻輸出功率。如今，射頻功率放大器已經(jīng)被廣泛運用到雷達系統(tǒng)、衛(wèi)星通信、電子對抗等領(lǐng)域，主要是因為它具有工作電壓低、效率高、噪聲低、線性度好等特點。寬頻帶半導(dǎo)體功率元器件被廣泛應(yīng)用于民用和軍用的雷達、通信等領(lǐng)域，使電子信息系統(tǒng)的性能得到極大提升[1]。C波段是現(xiàn)代雷達系統(tǒng)等領(lǐng)域常用的工作的頻段。C波段功率放大器廣泛應(yīng)用于雷達系統(tǒng)等領(lǐng)域中，它可以作為放大模塊，應(yīng)用于全固態(tài)集中式發(fā)射機中；它可以作為驅(qū)動功放，來為發(fā)射機提供驅(qū)動功率；還可以作為T通道功放，來應(yīng)用到有源相控陣雷達系統(tǒng)的T/R組件之中。射頻功率放大器在相控陣雷達中發(fā)揮著重要的作用[2]。高密集組網(wǎng)和全頻譜接入技術(shù)是5G技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，為了滿足5G技術(shù)的要求，就必須擴寬頻譜和增加建造基站的數(shù)目。在5G時代，多種設(shè)備都需要升級和小型化，因為功率放大器在5G設(shè)備中的占比很高，因此射頻功率放大器就顯得尤為重要，如今有很多大型公司投入大量時間和精力展開對此領(lǐng)域的研究，其中包含Qorvo、NXP、Gree、UMS、Sumitomo、Ampleon等。隨著5G技術(shù)的到來，無線通信的相關(guān)標準和技術(shù)也會跟著不斷進步，基站的要求也會變得更高，需要更加集成化、多模化和寬帶化等。與此同時，射頻功率放大器的要求也要有相應(yīng)的提高，更加需要滿足尺寸小、質(zhì)量輕、成本低、效率高、輸出功率高、線性度好等特點，射頻功率放大器的工藝也會隨著新技術(shù)的到來變得逐漸完善。值得一提的是，在基站的各種設(shè)備當中，射頻功率放大器的能源消耗占總能耗的比例將近六成，這個比例也就會促使未來移動運營商去積極使用質(zhì)量輕、效率高、體積小和成本低的功率放大器，已達到減小運營成本的目的。射頻功率放大器是射頻芯片中尤為重要的部分，使用GaN射頻芯片可以突破4G系統(tǒng)因為數(shù)據(jù)容量和用戶激增所造成的“瓶頸”問題，從而可以更好的滿足5G基站的要求，也會使網(wǎng)絡(luò)服務(wù)更加便捷。GaN作為第三代半導(dǎo)體材料，其寬禁帶、高導(dǎo)熱率的材料屬性可以很好地滿足高頻、高溫、高功率、高效率的性能要求[3]。在國防和軍事方面，射頻芯片可以充分的運用在電子對抗、衛(wèi)星通訊、有源相控陣雷達、微波散射等方面。在射頻器件行業(yè)，GaN將會展現(xiàn)出更大的商業(yè)價值。隨著5G技術(shù)的不斷研究，5G基站不僅僅局限于提供傳統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)，而且會支持速率高、數(shù)據(jù)多和延遲低的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在基站當中，大部分功耗來自發(fā)射鏈路，通過回退功率放大器的信號，這樣可以用來保護整個的通信質(zhì)量，但這一做法又會降低功率放大器的效率，從而增加了整個通信過程的能源消耗。在5G技術(shù)中，使用波段為毫米級，因為擁有較為嚴重的路損，這將會減小信號所傳輸?shù)木嚯x，進而導(dǎo)致不得不建造更密集的基站，所使用的波束成形技術(shù)將會增加發(fā)射鏈路的規(guī)模，因此會增加整個通信系統(tǒng)的總能源消耗。所以，增加功率放大器效率、減小發(fā)射系統(tǒng)規(guī)模等措施對于基站系統(tǒng)來說就顯得刻不容緩。1.2課題研究的研究現(xiàn)狀第三代半導(dǎo)體材料是在近十幾年發(fā)展起來的一種新型寬禁帶半導(dǎo)體材料，如氮化鎵、碳化硅等寬禁帶材料為主要代表[4]。與前幾代半導(dǎo)體材料相比較，新一代半導(dǎo)體材料GaN由于具有頻率高、效率高、功率高和耐高溫的優(yōu)點，也就使GaN擁有高功率密度、高飽和電子遷移率和高擊穿電壓等特點，從而可以更好地運用在衛(wèi)星通信、電子對抗和雷達系統(tǒng)等領(lǐng)域。GaAs屬于第二代半導(dǎo)體材料，使用GaAs設(shè)計出的功率放大器能夠進行高頻通信，但在輸出功率方面，比第三代GaN功率放大器相差太多[5]。半導(dǎo)體材料中有一個十分重要的特性參數(shù)，即禁帶寬度。禁帶寬度越寬，也就表明半導(dǎo)體材料電子躍遷時所消耗的能量越多，半導(dǎo)體材料就越能夠耐高壓和耐高溫，因此就越難成為導(dǎo)體，性能也就會更加穩(wěn)定。根據(jù)禁帶寬度特性參數(shù)的差異，半導(dǎo)體材料可以分為兩類：寬禁帶與窄禁帶，GaN就屬于寬禁帶半導(dǎo)體材料。而且，GaN屬于第三代半導(dǎo)體材料的代表，具有多個其它半導(dǎo)體材料所沒有的優(yōu)點，GaN與硅基解決方案相比，GaN擁有更高的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)效率、更大的功率密度以及更低的成本。GaN材料的運用越來越廣泛，這也導(dǎo)致GaN的性能不斷在升級[6]。GaN材料也能更好地滿足高頻、高功率、高效率等特點。因此，目前全世界有很多公司及政府都對GaN材料展開研究，以便能更好地運用在國防軍事和4G/5G通信。隨著5G技術(shù)的發(fā)展與進步，在功率效率和設(shè)備性能方面就必須達到更高的要求。據(jù)相關(guān)業(yè)內(nèi)人士估計，中國要建造的5G宏基站的是數(shù)目達到500萬左右，這些還沒有包括數(shù)不勝數(shù)的小型基站的數(shù)目。因為5G技術(shù)對發(fā)射功率的要求更為嚴格，因此射頻功率放大器也要去滿足相應(yīng)的要求。GaN憑借擁有高輸出功率和高頻等優(yōu)點，已經(jīng)逐漸成為5G基站所使用功率放大器的主流。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，中國在2019年所建造的5G宏基站所使用的射頻功率放大器的數(shù)目已經(jīng)達到約1850萬個，而且在2020年更有可能達到約7380萬個，當中使用GaN射頻功率放大器的比例就占將近60%。而且，隨著5G技術(shù)的逐漸成熟，GaN射頻功率放大器會更多的運用到手機領(lǐng)域，這將會使射頻功率放大器的市場空間越來越廣闊?，F(xiàn)在，我們可以利用新穎的微波技術(shù)和新型的微波器件，開發(fā)出來滿足各種軍事和通信方面要求的射頻功率放大器，無線通信技術(shù)也得到了長足的發(fā)展[7]。5G技術(shù)當中具有高度集成的大規(guī)模天線技術(shù)，它可以運用在射頻前端當中，用來達到高度集成化的要求。GaN具有高功率密度的特點，如果將它運用在毫米級波，而且客戶追蹤功能與覆蓋條件相同的話，就可以大大縮小整體方案的規(guī)模，從而降低系統(tǒng)成本。由于大規(guī)模天線和小型基站的運用越來越廣泛，而剛好GaN材料能夠更好的適應(yīng)集成化，這會將GaN的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來。GaNHEMT在宏基站中已經(jīng)成為了至關(guān)重要的部分。與GaAs和基于硅的LDMOS相比，GaN半導(dǎo)體材料不僅能夠滿足5G技術(shù)中高頻網(wǎng)絡(luò)的功率與效率，還能夠提供寬頻帶特性，因此可以更好的適應(yīng)多頻帶載波聚合等技術(shù)。在市場經(jīng)濟和國防軍事等領(lǐng)域，射頻集成電路已經(jīng)占據(jù)了信息技術(shù)的關(guān)鍵地位。當今世界各國都積極在射頻集成電路領(lǐng)域展開研究，因為這將會嚴重影響國家的商業(yè)以及戰(zhàn)略措施。而且，現(xiàn)在全球已逐漸成為一個信息共享的網(wǎng)絡(luò)時代，射頻集成電路方面已成為改善多種信息技術(shù)的關(guān)鍵。射頻功率放大器用來連接天線與收發(fā)芯片，它的性能跟通信系統(tǒng)的多種重要性能息息相關(guān)，因此可以說射頻功率放大器對于通信系統(tǒng)中射頻前端來說是不可或缺的。在5G技術(shù)中，射頻功率放大器的高效率與良好的線性度可以有效的改善整個通信系統(tǒng)的性能水平，以便改善用戶體驗。GaN射頻功率器件擁有良好的開關(guān)速度，在激光雷達系統(tǒng)、無線充電、包絡(luò)跟蹤等新領(lǐng)域都有著很好的應(yīng)用前景，在擴大產(chǎn)業(yè)的供應(yīng)鏈，降低成產(chǎn)成本，加強產(chǎn)品穩(wěn)點性等方面都起到了很關(guān)鍵的作用。給射頻工程師提供了更多的靈感，以便他們在將來的射頻電路設(shè)計中能夠做到不斷創(chuàng)新。最近幾年通信技術(shù)在不斷飛快的發(fā)展，移動通信技術(shù)已經(jīng)不再停留于4G，而是逐步進入5G時代，現(xiàn)在國內(nèi)外也都在加快研究如何提高通信系統(tǒng)的性能，即提高可靠性與有效性等。射頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)射機的關(guān)鍵部分，它的輸出功率、效率、線性度都將對整個通信系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響。所以，如何在要求的頻率范圍和輸出功率下,盡可能的兼顧效率與線性度已經(jīng)成為射頻功率放大器的重點研究方向。與4G技術(shù)相比，5G作為新一代的移動通信技術(shù)，5G技術(shù)它擁有速率快、延時小、連接數(shù)量多等優(yōu)良特性。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，移動通信的質(zhì)量也會得到進一步改善。而模擬技術(shù)則是5G技術(shù)中較為重要的部分，模擬技術(shù)主要包括毫米波頻段技術(shù)和同頻全雙工通信技術(shù)，而射頻功率放大器就是較為核心的地方，射頻功放性能對于5G通信技術(shù)來說是比較關(guān)鍵的部分。GaN射頻功率放大器的輸出等效電容僅有幾pF左右，而使用Si或GaAs所設(shè)計出的射頻功率放大器的輸出電阻隨工作頻率的增加而產(chǎn)生的變化量會比GaN射頻功率放大器大很多，所以GaN射頻功率放大器經(jīng)常運用在高頻毫米波方面。而且GaN在如今5G基站的建造中可以得到很好的運用。GaN射頻功率放大器的開關(guān)響應(yīng)時間很短，這樣會很大程度上改善開關(guān)功放和設(shè)備的效率。圖1.1單路基站發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖上圖為基站發(fā)射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，可以發(fā)現(xiàn)GaN射頻功率放大器可以很好的應(yīng)用在通信系統(tǒng)的基站裝置之中。單路基站發(fā)射系統(tǒng)包括數(shù)字處理單元、電源模塊、電荷泵與旁路開關(guān)模塊、降壓模塊和GaN射頻功率放大器。電源模塊的作用是給整個系統(tǒng)進行供電；電荷泵與旁路開關(guān)模塊的作用是對電源模塊所提供的電壓進行放大；降壓模塊的作用是降低放大后的電壓，以便電壓能夠更好的適應(yīng)GaN射頻功率放大器的工作要求；GaN射頻功率放大器的作用是放大功率信號；數(shù)字處理模塊與其它相連接，它的輸入反饋是GaN射頻功率功率放大器所提供的的輸出功率，從而可以調(diào)節(jié)電源模塊的輸出電壓、電荷泵與旁路開關(guān)模塊的放大系數(shù)和降壓模塊的降壓范圍。圖1.2多路基站發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖多路基站發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖二所示，該系統(tǒng)可以改善帶負載能力和增加功率輸出，并且往往要求很多個GaN射頻功率放大器提供輸出電流。與單路基站發(fā)射系統(tǒng)有所不同，該系統(tǒng)多了幾個模塊，其中發(fā)射機的作用是輸出射頻發(fā)射信號到GaN射頻功率放大器，多個GaN射頻功率放大器進行并行連接就會形成多個射頻發(fā)射通道，因此可以工作在更寬的頻段中，更好的運用于5G基站。因為輸入的是動態(tài)電壓，所以能夠充分發(fā)揮GaN射頻功率放大器的性能，還可以確保損耗的電能很小，從而改善整個系統(tǒng)的效率。1.3本文內(nèi)容安排射頻功率放大器對于無線通信通信、雷達、電子對抗等領(lǐng)域至關(guān)重要，如果這方面的技術(shù)能夠發(fā)展的足夠成熟，這樣就可以減少對國外技術(shù)的依賴，制造出的產(chǎn)品不僅可以用于軍工方面，而且可以民用。本課題目標是設(shè)計C波段射頻功率放大器。整個設(shè)計主要是基于ADS來展開設(shè)計，主要包括直流偏置設(shè)計、偏置電路設(shè)計、全匹配電路設(shè)計、功放級電路設(shè)計與驅(qū)動級電路設(shè)計等。本文主要分為四個部分。第一部分為緒論部分，主要是介紹一下研究射頻功率放大器的目的和意義、射頻功率放大器的研究現(xiàn)狀以及本課題的主要工作內(nèi)容；第二部分是射頻功率放大器的基本理論，主要介紹了射頻電路方面的基本理論以及這種性能參數(shù)；第三部分是用C波段射頻功率放大器的設(shè)計，主要介紹了如何用ADS進行射頻功率放大器的設(shè)計以及相應(yīng)的原理圖和仿真結(jié)果圖；最后一個部分是對整個射頻功率放大器設(shè)計的總結(jié)與展望。第2章功率放大器的相關(guān)設(shè)計理論2.1射頻電路的基本理論2.1.1射頻電路在電子技術(shù)領(lǐng)域，射頻電路的特點與低頻電路有所不同。因為電路工作分別在高頻和低頻時，其電路特性是不同的，所以掌握射頻電路基本理論是很必要的，這樣才能夠去理解射頻電路的相關(guān)工作原理。當電路工作在高頻時，雜散電容與雜散電感會嚴重影響整個電路的特性。其中雜散電容是處于射頻電路的組件與地之間以及各導(dǎo)體器件之間。而雜散電感則是處于組件和導(dǎo)線之間的內(nèi)部電感。當電路工作在低頻時，雜散電容和雜散電感對整個電路性能所產(chǎn)生的影響較小，但如果不斷增加工作頻率，那么這些雜散電容和雜散電感對電路所產(chǎn)生的影響將會不斷增大[8]。射頻電路具有趨膚效應(yīng)。直流電路中電流是在整個導(dǎo)體器件中流動，但在射頻電路中，電流則是在導(dǎo)體的表面流動。所以，直流電路中的直流電阻要小于高頻電路中的交流電阻。高頻電路還存在電磁輻射效應(yīng)。如果不斷增加工作頻率，直到波長能夠與電路尺寸比擬時，此時高頻電路則相當于輻射體。而且在這個時候，各電路之間、外部環(huán)境和電路之間都會產(chǎn)生耦合效應(yīng)，也就會產(chǎn)生干擾問題。2.1.2S參數(shù)S參數(shù)，也叫散射參數(shù)。S參數(shù)是微波電路中十分重要的一個參數(shù)。其中，S11稱為輸入反射系數(shù)，即輸入回波損耗；S12是反向傳輸系數(shù)，也就是隔離。S21是正向傳輸系數(shù)，即增益。S22是輸出反射系數(shù)，即輸出回波損耗。在分析串行鏈路時，我們就需要得到正確的S參數(shù)，因為S參數(shù)展現(xiàn)了傳輸通道的頻率特性，而且我們可以通過S參數(shù)去了解傳輸通道的很多特性。S參數(shù)是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，S參數(shù)適合用來分析微波電路，通過器件端口的反射信號和從該端口傳向另一端口的信號來描述電路網(wǎng)絡(luò)。在分析電路時，可以使用網(wǎng)絡(luò)模型來代替基本電路，從而簡化電路的輸入輸出關(guān)系，這樣就可以減少電路非線性效應(yīng)和復(fù)雜性對我們分析電路問題的影響，在射頻電路中，用的最多的就是常見的二端口網(wǎng)絡(luò)，其中S參數(shù)就是最適合的表示方式。S參數(shù)描述二端口示意圖如圖2.1所示。圖2.1S參數(shù)描述二端口示意圖設(shè)a(x)為將入射波歸一化后的表達形式、b(x)是反射波歸一化后的表達式。將a(x)、b(x)同反射系數(shù)一起放到二端口網(wǎng)絡(luò)里，在端口1中，a1(m)表示入射波，b1(m)表示反射波；在端口2中，a2(m)表示入射波，b2(m)表示反射波。根據(jù)式(2.1)我們可以得到：式(2.2)矩陣形式為：式(2.3)S11、S22為反射的表達參量，S12、S21是傳輸特性的表達參數(shù)，可以用參數(shù)矩陣來表示二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)。該參數(shù)矩陣成為散射矩陣。式(2.4)端口1和端口2的各S參數(shù)定義如下:式(2.5)式(2.6)式(2.7)式(2.8)2.2功率放大器的設(shè)計要點2.2.1功率放大器功率放大器是在一定失真率的條件下，會產(chǎn)生最大功率輸出來驅(qū)動某一負載的放大器。放大器就是將輸入的內(nèi)容進行放大并輸出，而我們稱這個輸入輸出的內(nèi)容為信號，一般為功率或電壓。射頻功率放大器設(shè)計的核心就是提高效率和輸出功率，一般在射頻功率放大器中，可以使用LC諧振回路選出基頻或某次諧波，從而實現(xiàn)不失真放大。而且，輸出中的諧波分量還應(yīng)該盡量地小，以防止對其他頻道產(chǎn)生干擾。按照工作狀態(tài)的不同，功率放大器可以分為開關(guān)型功率放大器和線性功率放大器。開關(guān)型功率放大器的電子器件處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)型功率放大器主要分為D類放大器和E類放大器，E類放大器的效率低于D類放大器，開關(guān)型功率放大器雖然擁有高輸出功率和高效率的特點，但是它的線性度特性很差。線性功率放大器一般工作在高頻，相對頻帶卻比較窄，射頻功率放大器的負載回路一般都選用選頻網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)電流導(dǎo)通角的不同，線性射頻功率放大器可以分為A、B、C三種工作狀態(tài)。A類放大器很適合用于小信號低功率放大的情況，而B類放大器和C類放大器都適合用于大功率狀態(tài)，而效率和輸出效率三者最高的則是C類放大器。C類放大器在射頻功率放大器中出現(xiàn)較多，但是C類放大器電流波形失真率很大，因為調(diào)諧回路擁有濾波能力，這樣電流和電壓產(chǎn)生的失真就會降低很多，所以負載諧振功率放大時就必須選用調(diào)諧回路。2.2.2元器件的選擇在射頻功率放大器的設(shè)計中，晶體管的選擇是重中之重，需要我們充分考慮功率放大器的指標要求以及晶體管的性格參數(shù)。而且需要我們合理權(quán)衡各項指標，來選擇合適的晶體管。為了得到較大的輸出功率，我們需要選擇滿足效率高、輸入輸出阻抗匹配能力好、抗駐波能力強、電流容量大、熱阻小這些要求的晶體管，但我們會發(fā)現(xiàn)很難同時滿足這些要求，這就需要我們權(quán)衡各項設(shè)計指標。除了這些，還需要考慮輸入輸出阻抗匹配，因此可以優(yōu)先去選擇擁有內(nèi)匹配電路的晶體管，這對于功率放大器的設(shè)計十分重要。使用高增益高功率的晶體管可以降低整個功率放大器的放大級數(shù)，這樣可以簡化整個電路，而且可以減少成本，改善其穩(wěn)定性和提升總效率。由于我們不能讓晶體管工作在極限參數(shù)狀態(tài)下，所以在設(shè)計功率放大器時應(yīng)該給相應(yīng)指標留出20%左右的余量，這樣可以增加晶體管的穩(wěn)定特性。為方便起見，在射頻電路中的傳輸線可以選擇微帶線。2.2.3偏置電路的設(shè)計為了使功率放大器能夠不失真的進行信號放大，就需要將晶體管的發(fā)射結(jié)設(shè)置為正偏，將集電結(jié)設(shè)置為反偏。通過設(shè)計外部電路，來對晶體管的發(fā)射極、集電極與基極的電位進行設(shè)置[9]。而為了完成這些功能所設(shè)計的外部電路就是偏置電路。偏置電路的主要是用來為功率放大器的各級供給適合的偏置電流，從而找出靜態(tài)工作點。因為流過基極的電流遠遠小于發(fā)射極偏置電阻的電流，所以，我們可以認為基極電位只由分壓電阻阻值所決定，跟晶體管的參數(shù)和外部的溫度環(huán)境沒有關(guān)系[10]。發(fā)射極偏置電阻與基極電位是用來保證靜態(tài)工作點的穩(wěn)定。但并不是發(fā)射極偏置電阻越大就越穩(wěn)定，因為當偏置電阻阻值太大時所消耗的功率也很大，而且還會減小晶體管的工作范圍，也會使交流放大倍數(shù)得到減小。因此當電路工作在小電流狀態(tài)時，發(fā)射極偏置電阻一般為幾百歐姆到幾千歐姆；而當電路工作大電流狀態(tài)時，它的阻值一般為幾歐姆到幾十歐姆之間。2.2.4阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計對于射頻電路設(shè)計，阻抗匹配是非常重要的而且是需要我們重點考慮的部分。我們能否成功地設(shè)計射頻功放的關(guān)鍵在于對阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[11]。阻抗匹配大多用于傳輸線中，主要是用來將高頻微波信號傳遞到負載點，在這個過程中基本沒有信號反射回來，因此可以很好地改善能源效益。阻抗匹配包括傳輸線輸入端和輸出端工作于阻抗匹配狀態(tài)，其中輸入端阻抗匹配是指信號源內(nèi)阻和傳輸線特性阻抗的相位與大小一樣，而輸出端阻抗匹配是指負載阻抗和傳輸線特性阻抗的相位與大小一樣。解析法是阻抗匹配設(shè)計方法當中思路最簡單的方法，但也有計算量較大的這個缺點，這個方法主要是利用阻抗變換的關(guān)系式，計算出滿足要求的電感和電容數(shù)值[12]。諧振法是阻抗匹配設(shè)計的另一個方法，這個方法主要是把輸入阻抗從串聯(lián)變?yōu)椴⒙?lián)，再與電感和電容器件相并聯(lián)，從而可以引起諧振，然后通過構(gòu)成低通濾波，這樣能夠使輸入阻抗的實部不斷增大，最終就可以得到較好的阻抗匹配。2.3功率放大器的設(shè)計方法2.3.1S參數(shù)小信號分析法S參數(shù)小信號分析法。主要是通過負載線法來計算功率管的負載線，最后找出最佳輸出阻抗。為了得到最佳輸出阻抗的實部，可以在一定電壓條件下，利用仿真軟件，按照器件資料畫出負載線，而且這個方法適用范圍較廣。多數(shù)的功率放大器都是在大信號狀態(tài)時工作的，在理想情況下，我們應(yīng)該通過大信號參數(shù)來設(shè)計功率放大器，但是一般情況下，一些器件廠商只會給出器件的小信號S參數(shù)和靜態(tài)工作點等數(shù)據(jù)，我們較難知道器件廠商的大信號參數(shù)[13]。先通過靜態(tài)I-V曲線得到在最大輸出功率時的負載電阻，然后設(shè)計輸入電路的匹配電路，來獲得所需要的增益及駐波特性，同時設(shè)計輸出電路的匹配電路，就能獲得最大輸出功率。2.3.2非線性分析法非線性分析法。這個方法是基于知道功率管器件的大信號參數(shù)，然后通過仿真軟件來計算出所需要的源阻抗與負載阻抗，以便能夠知道功率管的非線性性能情況。但這個方法需要對功率管進行建模，而這個過程較為困難。2.3.3動態(tài)阻抗法動態(tài)阻抗法。此方法需要使用儀器去測量功率管的動態(tài)輸入、輸出阻抗，然而功率管的輸出功率越大，它的輸入阻抗和輸出阻抗就越小，導(dǎo)致測量難度加大，很難獲得較為準確的結(jié)果。2.3.4負載牽引分析負載牽引法。負載牽引分析法一般有兩種方法：計算機仿真法、負載牽引測試法[14]。通過儀器測量負載牽引，然后在不同負載時去測量功率放大器的輸出功率與增益，相應(yīng)數(shù)據(jù)不需要手工計算，可以從電腦中獲取，但測量負載牽引所使用的儀器價格高昂。2.4功率放大器的主要指標工作頻率。工作頻率一般是指功率放大器線性工作時的頻率范圍。如果功率放大器工作的頻率是從DC開始的，這種放大器就是直流放大器。增益。功率放大器的工作增益是衡量功率放大器放大能力的主要指標。增益是指功率放大器的輸出端口送到負載的功率與信號源實際送到功率放大器輸入端口的功率的比值。增益平坦度。是給定溫度下，功率放大器增益在整個工作頻帶范圍內(nèi)的變化程度。輸出功率和1dB壓縮點。如果功率放大器的輸入功率達到某一值之后，它的增益就開始降低，這種現(xiàn)象則表明功率放大器的輸出功率已經(jīng)達到了飽和狀態(tài)。1dB壓縮點就是指功率放大器的增益低于其它增益1dB時的點。效率。因為功率放大器是功率器件，所以需要消耗供電電流。而提高系統(tǒng)的效率的關(guān)鍵則是去提高功率放大器的效率，功率放大器的效率的定義則為功率放大器的輸出功率與直流功率的比值。交調(diào)失真。交調(diào)失真的產(chǎn)生與功率放大器的非線性特性有關(guān)，當不同頻率或多個信號通過功率放大器時，就會引起混合分量，這就是交調(diào)失真。三階交調(diào)截止點。在一定輸出功率時，在三階交調(diào)截止點時的輸出功率越高，功率放大器的線性度就越良好。動態(tài)范圍。一般來說，功率放大器的動態(tài)范圍是最大輸入功率與最小可檢測信號之差。諧波失真。功率放大器在它的輸入信號不斷增大到某一值時，從而引起諧波現(xiàn)象。在大功率放大器的設(shè)計過程中，盡量會使用濾波器來降低諧波對系統(tǒng)的影響。輸入輸出駐波比。輸入輸出駐波比可以展現(xiàn)出整個系統(tǒng)與功率放大器的匹配程度。如果輸入輸出駐波比沒能達到一定要求，就會造成整個系統(tǒng)的增益和時延性能很差。一般在設(shè)計的系統(tǒng)時，需要將輸入輸出駐波比設(shè)計為低于2:1。2.5ADS軟件2.5.1ADS簡介ADS是AdvancedDesignSystem的縮寫，即先進設(shè)計系統(tǒng)，是美國安捷倫公司推出的電路和系統(tǒng)分析軟件。先進設(shè)計系統(tǒng)是一種電子設(shè)計自動化軟件系統(tǒng)，在雷達、無線網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域有著十分重到的作用。在BeckhoffTwinCAT系統(tǒng)中，各個軟件模塊的工作模式與硬件設(shè)備差不多，每個模塊都可以獨立進行工作，為了實現(xiàn)信息的交換，可以使用TwinCATADS來完成這個功能。ADS軟件具有非常強大的功能以及非常豐富的模板可供設(shè)計者選擇，而且它的仿真能力十分準確，因此在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中，該款軟件得到了廣泛的應(yīng)用。特別是在射頻微波領(lǐng)域，也就是工作頻率范圍在300kHz-300GHz之間的情況下，ADS更受設(shè)計者的喜愛。ADS適用于各種類型的射頻設(shè)計，不僅可以支持民用通信方面的仿真設(shè)計，也支持國防領(lǐng)域的仿真設(shè)計。ADS軟件集成了多種仿真軟件的優(yōu)點，可以實現(xiàn)時域和頻域、線性與非線性、高頻與低頻、數(shù)字與模擬等仿真分析。除此之外，美國安捷倫公司還與多家半導(dǎo)體公司合作建立ModelFile和DesignKit，以便設(shè)計者使用。如果需要進行數(shù)字信號處理、三維電磁仿真和通信系統(tǒng)仿真等設(shè)計時，就可以通過ADS軟件來實現(xiàn)設(shè)計、規(guī)劃和評估等操作。在ADS軟件中，也有通過范例和指令來對電路或系統(tǒng)的設(shè)計流程進行示范，也有通過步驟式界面來設(shè)計、分析電路或系統(tǒng)，ADS也給其他的EDA軟件提供支持，比較常見的有Mathworks、Cadence和SPICE等，它們之間可以進行協(xié)同仿真設(shè)計，以便提高設(shè)計系統(tǒng)的準確性以及便捷性[15]。2.5.2ADS軟件的仿真分析法高頻SPICE分析和卷積分析。SPICE仿真器不可以直接使用頻域分析模型，由于頻域分析模型可以通過高頻SPICE仿真器之后，進行拉普拉斯變換之后實現(xiàn)瞬態(tài)分析，不需要將其模型轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的等效電路，因此高頻SPICE分析方法可以通過SPICE仿真器來分析線性和非線性電路的瞬態(tài)效應(yīng)。而且瞬態(tài)噪聲也可以通過高頻SPICE來仿真電路的瞬態(tài)噪聲來分析[16]。卷積分析方法是SPICE高頻仿真器中高級的時域分析方法，它能夠利用時域分析方法來準確分析電路中傳輸線、微帶線等元器件。線性分析。線性分析是將各種類型的射頻與微波電路經(jīng)過處理，來進行線性分析的一種頻域仿真分析方法。這種線性分析的處理過程是首先將電路中的各種元件的線性參數(shù)、反射系數(shù)、穩(wěn)定系數(shù)、電路阻抗和增益等進行計算，最后對整個系統(tǒng)進行仿真分析。諧波平衡分析。諧波平衡是分析多頻輸入信號非線性電路的一種在頻域、穩(wěn)態(tài)和大信號狀態(tài)下的一種電路仿真分析方法，通過這種方法可以獲得非線性電路中諧波失真、功率壓縮點和噪聲等多個電路響應(yīng)參數(shù)。這種方法擺脫了SPICE瞬態(tài)分析和線性S參數(shù)分析的缺點，當高頻電路中存在很多混頻電路時，這種方法就顯得尤為重要，因此在分析非線性電路時，使用諧波分析方法便顯得十分快速和有效。電路包絡(luò)分析。電路包絡(luò)分析方法是結(jié)合高頻SPICE分析方法和諧波平衡分析方法中的長處，當分析低頻信號時就利用SPICE仿真方法來進行時域分析，當分析高頻信號時就使用諧波平衡分析來進行頻域分析，因此，電路包絡(luò)分析方法在分析電路和系統(tǒng)中的調(diào)頻信號時就顯得十分常見。射頻系統(tǒng)分析。射頻系統(tǒng)分析可以驗證射頻系統(tǒng)的線性化和非線性化系統(tǒng)模型，通過這種方法可以讓設(shè)計者更加準確地對系統(tǒng)進行評估。拖勒密分析。這種分析方法可以處理和分析數(shù)字和模擬信號、高頻信號的混合系統(tǒng)，設(shè)計者可以通過ADS中的通信系統(tǒng)元件模型、數(shù)字元件模型和模擬高頻元件模型來對電路系統(tǒng)進行仿真分析。電磁仿真分析。電磁仿真分析方法能夠用來仿真分析帶狀線、微帶線等器件的特性，也可以用來分析天線的輻射特性。通過該方法分析所得到的S參數(shù)仿真結(jié)果可以用于諧波平衡分析方法和電路包絡(luò)分析方法中，實現(xiàn)整個系統(tǒng)電路的設(shè)計與分析。第3章C波段功率放大器的仿真設(shè)計3.1整體設(shè)計方案3.1.1設(shè)計指標要求本設(shè)計需要基于ADS軟件，進行C波段功率放大器的仿真設(shè)計，需要完成的設(shè)計指標要求如下：(1)工作頻段：5~6.5GHz(2)總增益：大于38dB(3)增益平坦度：△G≤2dB(4)輸入輸出駐波比：小于23.1.2整體方案確定根據(jù)功率放大器的工作頻率、帶寬以及直流供電電壓等要求，同時還得結(jié)合功率、增益、電路規(guī)模、設(shè)計成本等因素，最終設(shè)計方案選擇GaN晶體管，GaN材料是第三代半導(dǎo)體材料的代表，在很多方面的性能都比前兩代半導(dǎo)體材料好。GaN材料擁有擊穿電壓高、效率高、體積小、散熱性好和工作頻帶寬等特點[17]。整個設(shè)計分為功放級、中間級和驅(qū)動級，在功放級使用GaN功率管TGF2023-2-02，根據(jù)下載的數(shù)據(jù)文件可知，該晶體管在工作頻率為3GHz-8GHz時，晶體管的輸出功率為41dBm左右，在3GHz時達到最大增益，約20dB。整體使用三級設(shè)計，中間級繼續(xù)使用GaN功率管TGF2023-2-02。驅(qū)動級放大電路設(shè)計重在提高增益，并保證增益相應(yīng)的平坦度;而功放級電路設(shè)計則側(cè)重于輸出功率的保障[18]，射頻功率放大器的驅(qū)動級使用的SBB5089Z晶體管，這個晶體管的工作頻率為60MHz-6000MHz，它的放大倍數(shù)最大達到20dB，輸出功率為20dBm左右。3.2功放級電路設(shè)計根據(jù)設(shè)計指標要求，射頻功率放大器的功放級選擇使用的是使用GaN功率管TGF2023-2-02，由于大部分GaN射頻功放管的生產(chǎn)公司都不會提供大信號模型，在ADS仿真和設(shè)計時缺少庫里的DesignKit，所以只能進行小信號參數(shù)仿真。在進行小信號S參數(shù)仿真設(shè)計時，先使用一個二端口的網(wǎng)絡(luò)代替晶體管，然后下載S2P文件導(dǎo)入二端口網(wǎng)絡(luò)中進行設(shè)計和仿真。由于庫里缺DesignKit的緣故，不能對大信號狀態(tài)進行仿真[19]。3.2.1S參數(shù)仿真首先進行預(yù)仿真，為了確定器件的可用性[20]。先在Qrovo官網(wǎng)上下載TGF2023-2-02的S2P文件和datasheet，打開ADS軟件建立好新工程，連接好電路原理圖，然后需要在原理圖中加入二端口控件，并將下載好的S2P文件添加到二端口控件中，再用ADS軟件中進行S參數(shù)仿真。TGF2023-2-01的S2P文件如圖3.1所示。圖3.1TGF2023-2-02的S2P文件通過ADS建立原理圖，將輸入輸出端口設(shè)置為50歐姆，在添加的S-PARAMETERS控件中設(shè)置掃描頻率范圍和步長，頻率范圍設(shè)置為2-8GHz，包含了工作頻率5-6.5GHz，步長則設(shè)置為1GHz，整個原理圖如圖3.2所示。圖3.2S參數(shù)仿真原理圖建立好如上圖所示原理圖之后，就可以點擊Simulate進行仿真，在仿真結(jié)果界面添加需要仿真的參數(shù)，便可得到如圖3.3所示的S21和史密斯圓圖。圖3.3S21、史密斯圓圖得到相應(yīng)的仿真結(jié)果之后，可以在圖中添加Maker，以便能夠更準確的讀出需要觀察的頻率所對應(yīng)的數(shù)據(jù)，從圖3.3的仿真結(jié)果可以知道，左圖增益S21在各頻率時的情況，在工作頻率為5-6.5GHz時，增益達到了8dB以上；右圖史密斯圓圖中可以觀察到S(1,1)、S(2,2)在不同頻率時所對應(yīng)的的歸一化阻抗。3.2.2直流偏置仿真根據(jù)直流偏置仿真我們可以確定TGF2023-2-02的漏極偏置電壓、漏極電流和柵極偏置電壓，來確定晶體管的靜態(tài)工作點。首先在ADS軟件的Inserttemplate中選擇直流掃描模板ads_templates:FET_curve_tracer，添加二端口控件，加入已下載好的TGF2023-2-02的S2P文件，設(shè)置好S參數(shù)掃描控件中的參數(shù)以及DC控件中的參數(shù)，具體電路圖如圖3.4所示。圖3.4直流偏置原理圖連接好直流偏置原理圖之后，就可以點擊Simulate進行仿真，得到直流偏置仿真結(jié)果如圖3.5所示。圖3.5直流偏置仿真結(jié)果 仔細研讀晶體管的datasheet是ADS仿真設(shè)計中十分重要的一部分，在得到直流偏置仿真結(jié)果之后，在仿真結(jié)果圖中添加一個Marker，定位到Vds=28V，Ids約為0.125mA的位置，由圖3.5可知，當Vds=28V，Ids=0.110A時，此時和TGF2023-2-02的datasheet中靜態(tài)工作點時的Idq=125mA基本一致；此時Vgs=-0.400，此時功耗為3.073W。由此可見，功放管功耗還比較大。3.2.3偏置電路設(shè)計偏置電路的設(shè)計是為了能夠給功放管提供正確的工作狀態(tài)，如果偏置電路能夠設(shè)計良好，就可以使微波有源器件能夠?qū)崿F(xiàn)良好的性能，否則，微波有源器件的性能就會滿足不了設(shè)計要求。為了在加入偏置電路之后，不影響原匹配網(wǎng)絡(luò)電路的性能要求，所以在處理微波信號時，就需要將偏置電路設(shè)置為開路。在對射頻功率放大器進行設(shè)計時，我們需要設(shè)計直流偏置電路，直流偏置設(shè)計一般包括漏極饋電設(shè)計和柵極偏置設(shè)計。其中柵極偏置電路的主要功能如表3.1所示。表3.1柵極偏置電路主要功能柵極偏置電路主要功能提供正反向柵極電流提供穩(wěn)定的柵源電壓去耦濾波使功率管工作在穩(wěn)定的工作狀態(tài)阻止漏極信號耦合到柵極限制柵極電流，防止器件擊穿，并在柵源正向偏置時起保護作用在柵極偏置電路設(shè)計時，需要進行一個四分之一波長匹配，在輸入輸出端口設(shè)置為50歐姆，而且整個電路需要并聯(lián)三個電容來實現(xiàn)濾波功能，經(jīng)過計算將三個并聯(lián)電容分別設(shè)置為39uF、39nF和39pF，用來對低頻、中頻和高頻進行濾波。由于扇形微帶線具有較好的性能，故用扇形微帶線來代替開路電路。具體電路圖如圖3.6所示。圖3.6柵極偏置電路原理圖建立好柵極偏置電路原理圖之后，點擊Simulate進行該部分的仿真，柵極偏置電路仿真結(jié)果如圖3.7所示。圖3.7柵極偏置電路S參數(shù)仿真曲線由圖3.7所示，在5-6.5GHz時，S21幾乎為0，說明能量可以很好的傳入晶體管；S11小于30dB，說明輸入回波損耗很??；S22小于30dB，說明輸出回波損耗很低；S12幾乎為0，說明插入損耗很小，整體表明該匹配設(shè)計滿足設(shè)計要求。漏極饋電電路的主要功能如表3.2所示。表3.2漏極饋電電路主要功能漏極饋電電路的主要功能為漏極提供合適的電流濾除低頻信號、高頻信號和部分諧波信號提供穩(wěn)定的漏源電壓即使不在工作頻段內(nèi)，使器件能夠工作于穩(wěn)定狀態(tài)防止漏極信號進入到柵極漏極饋電電路原理圖如圖3.8所示。圖3.8漏極饋電電路原理圖圖3.9漏極饋電電路S參數(shù)仿真曲線由圖3.9所示，在5-6.5GHz時，S21幾乎為0，說明能量可以很好的傳入晶體管；S11小于20dB，說明輸入回波損耗很?。籗22小于20dB，說明輸出回波損耗很低；S12幾乎為0，說明插入損耗很小，整體表明該匹配設(shè)計滿足設(shè)計要求。3.2.4全匹配電路設(shè)計從微波理論來講，如果一個網(wǎng)絡(luò)和負載阻抗良好匹配，則網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗值將和負載阻抗的共軛復(fù)數(shù)值是相等的。通過分析GaNTGF2023-2-02的datasheet所提供的參數(shù)，計算出輸出阻抗，再使用ADS軟件進行仿真，利用史密斯圓圖匹配法得到輸出匹配電路，也就是把負載阻抗匹配到50歐姆。最后可以我們可以得到全匹配電路原理圖，如圖3.10所示。圖3.10全匹配電路原理圖圖3.11全匹配電路仿真結(jié)果由圖3.11仿真結(jié)果可以得出，在5-6.5GHz時，增益均大于15dB，且增益平坦度△G<=2dB。增益S21基本在16db上下輕微波動，且增益平坦度△G<=2dB。且由StabFact1中可知，在5-6.5GHz中，穩(wěn)定系數(shù)均大于1，故在該頻段穩(wěn)定。3.2.5功放級電路利用ADS射頻設(shè)計仿真軟件的傳輸線計算工具LineCalc來計算微帶線的尺寸，再加上柵極偏置電路和漏極饋電電路后，最后組成的功放級電路如圖3.12所示。圖3.12功放級電路原理圖圖3.13穩(wěn)定性仿真曲線無論任何的功率放大芯片，器件內(nèi)部元件不合理匹配導(dǎo)致的不穩(wěn)定性，很有可能產(chǎn)生自激效應(yīng)而導(dǎo)致管子的燒毀[21]。由圖3.10穩(wěn)定性仿真結(jié)果可見，在5-6.5GHZ頻率范圍內(nèi)，其K值均大于1，故在此頻段穩(wěn)定。圖3.14S21、S11、S22曲線由圖3.14可知，在5-6.5GHz范圍內(nèi)，增益大于14dB，其增益平坦度基本上滿足△G<=2d。從S11、S22中可以看出，輸入輸出駐波比小于2:1，滿足設(shè)計要求。3.3驅(qū)動級設(shè)計射頻功率放大器的驅(qū)動級使用的SBB5089Z晶體管，這個晶體管的工作頻率為60MHz-6000MHz，它的放大倍數(shù)最大達到20dB，輸出功率為20dBm左右。驅(qū)動級S參數(shù)原理圖如圖3.15所示。圖3.15驅(qū)動級S參數(shù)仿真電路圖圖3.16S參數(shù)仿真結(jié)果由圖3.16的S參數(shù)仿真結(jié)果可知，驅(qū)動級可以達到16dB左右的增益，滿足驅(qū)動級的基本要求。3.4整體設(shè)計C波段功率放大器的整體設(shè)計分為功放級、中間級和驅(qū)動級，在功放級使用GaN功率管TGF2023-2-02，中間級繼續(xù)使用GaN功率管TGF2023-2-02，射頻功率放大器的驅(qū)動級使用的SBB5089Z晶體管，最后C波段功率放大器整體設(shè)計S參數(shù)仿真原理圖如圖3.17所示。圖3.17整體設(shè)計電路原理圖圖3.18整體設(shè)計仿真結(jié)果圖圖3.19輸入輸出駐波比由圖3.18仿真結(jié)果可得，在工作頻率為5-6.5GHz時，整體增益達到了38dB以上，且增益平坦度小于2dB，由圖3.19仿真結(jié)果可見，輸入輸出駐波比小于2。綜上，滿足整體設(shè)計要求。第4章總結(jié)與展望本文是基于ADS軟件來設(shè)計一款C波段射頻功率放大器，新一代半導(dǎo)體功率器件GaN高電子遷移率晶體管具有寬禁帶、高擊穿場強、高功率密度等優(yōu)點，理論上特別適合應(yīng)用于高頻、高功率的功率器件的場合。因此可以可以明顯提高電子信息系統(tǒng)的性能，廣泛應(yīng)用于雷達、通信、戰(zhàn)斗機、海洋勘探等重要領(lǐng)域。整個設(shè)計需要掌握的理論知識主要有射頻電路基本理論、二端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)、射頻功率放大器的一些基本設(shè)計方法等。設(shè)計射頻功率放大器時，需要結(jié)合功率放大器的輸出功率、工作頻率等要求，選擇先分級設(shè)計，然后再將各級級聯(lián)的設(shè)計思路。本文所設(shè)計的功率放大器的功放級使用的是GaN功率管TGF202-2-0