2.7GHz-3.5GHz功放設(shè)計(jì)分析

具體指標(biāo)如下：

頻段 2.7-3.5GHz

輸入功率＜1dBm

輸出飽和功率＞46dBm

介質(zhì)板為Rogers 4003，介電常數(shù)為3.38，厚度為0.508mm

1. 末級(jí)功放電路設(shè)計(jì)

末級(jí)功率放大電路選用CREE公司的CGH40045高電子遷移速率晶體管。資料中CGH40045的飽和輸出功率為55W，效率為55%

設(shè)計(jì)流程如下：

1. 1 靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置
   在芯片資料中，漏源電壓28V，柵源電壓的工作范圍為-3.0V
   1.2 穩(wěn)定性分析
   對(duì)晶體管進(jìn)行穩(wěn)定性仿真可以得到穩(wěn)定判斷的K線圖和B線圖，分別如下圖所示，K＞1且B＞0,CGH40045F在應(yīng)用頻段屬于穩(wěn)定的。

1.3晶體管輸入與輸出阻抗分析

利用CREE公司提供的大型號(hào)模型，結(jié)合ADS 負(fù)載牽引可以仿真得出輸出與輸出阻抗變化呈線性分布，因此設(shè)計(jì)電路考慮輸入輸出對(duì)稱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.4 饋電端λ/4高阻線設(shè)計(jì)

偏置電源為其供電時(shí)，必須要保證電源的直流信號(hào)可以順利向CGH40045F所在的功放電路的柵極、漏極提供偏置電壓，并且還要保證功率放大器輸入輸出信號(hào)不會(huì)從偏置電路泄露。故需要在所要求的頻段內(nèi)設(shè)計(jì)一高阻線，使其對(duì)于直流表現(xiàn)為通路，射頻信號(hào)表現(xiàn)為開(kāi)路，即相當(dāng)于扼流圈的作用。，扇形結(jié)構(gòu)由于寬度是漸變的，可以很好的滿足寬帶性能，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示：

經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化得到S(1,1)、S(2,2)接近0dB，在2.7-3.5GHz頻段范圍內(nèi)全反射，滿足高阻線設(shè)計(jì)要求。

1.5 功放寬帶匹配電路的設(shè)計(jì)

如下圖所示，本文采用典型的雙分支平衡匹配電路，由于其結(jié)構(gòu)具有較多的可控變量，適用頻段更寬，同時(shí)由于晶體管輸入，輸出阻抗變化較為線性，在輸入端和輸出端各有一段漸變線，進(jìn)行阻抗平滑過(guò)渡。

根據(jù)S參數(shù)不斷進(jìn)行原理圖優(yōu)化，滿足要求后進(jìn)行EM版圖聯(lián)合仿真。

版圖聯(lián)合仿真滿足S參數(shù)指標(biāo)要求后，進(jìn)行諧波平衡仿真與增益，功率仿真，結(jié)果如下，可見(jiàn)基波在3.1GHz處的功率為48.5dBm，二次諧波和三次諧波的功率為10dBm左右，諧波相對(duì)于基波可以忽略不計(jì)。CGH40045F晶體管的3dB輸出功率約48.5dBm，而實(shí)際需要46.6dBm就已經(jīng)足夠，因此在正常工作時(shí)，沒(méi)有必要達(dá)到此3dB壓縮點(diǎn)，在全頻段功放效率在50%以上。

2. 驅(qū)動(dòng)級(jí)功放設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)級(jí)選擇的CREE的CGH40010F，芯片資料中，給出了CGH40010氮化鎵高電子遷移速率晶體管的飽和輸出功率為13W，在飽和輸出功率下的效率為65%。

根據(jù)大信號(hào)模型仿真其阻抗點(diǎn)跟末級(jí)功放一樣，具有線性的增長(zhǎng)變化，因此中間級(jí)驅(qū)動(dòng)具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化變量使其S參數(shù)指標(biāo)滿足要求。

原理圖結(jié)合EM版圖聯(lián)合仿真，同時(shí)分別調(diào)用ADS電磁仿真軟件下的S參數(shù)仿真模塊對(duì)其功率增益以及一端口二端口的反射情況進(jìn)行仿真分析；調(diào)用諧波平衡仿真模塊對(duì)其二次諧波、三次諧波的大小進(jìn)行分析；調(diào)用增益壓縮仿真模塊，對(duì)匹配電路的1dB功率增益壓縮點(diǎn)進(jìn)行仿真分析等。

2.1 驅(qū)動(dòng)級(jí)功放S參數(shù)仿真分析

如下圖所示，S(1,1)＜-11dB，S（2,1）＞13dB。

2.2 驅(qū)動(dòng)級(jí)功放諧波平衡仿真

如下圖所示，中心頻率3.1GHz處，基波的3dB壓縮點(diǎn)的輸出功率約為42.5dBm，二次諧波和三次諧波的3dB壓縮點(diǎn)的輸出功率分別約為20.2dBm、13.2dBm，較基波的輸出功率小得多，對(duì)基波影響較小。晶體管全頻帶效率大概在35%以上。

3 前級(jí)功放的設(shè)計(jì)

前級(jí)功放選擇Hittite公司的HMC 464功放芯片，其增益在2GHz～4GHz內(nèi)大于16dB，回波損耗在-15dB以下，輸出功率1dB壓縮點(diǎn)為26dBm。

4. 末級(jí)隔離器的選型

為了保障功放的合理測(cè)試，防止反射功率太大損壞功放，因此末級(jí)選擇了UIY（深圳優(yōu)譯的隔離器）UIYBDI3234A2T4，如下圖所示：

5. 整機(jī)鏈路計(jì)算

此模塊采用三級(jí)放大，整個(gè)模塊的效率在50%