基於FLM3135-18F的S波段微波功率放大器設計

　　1 引言

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　　S波段微波功率放大器是雷達發射機、無線通信、測量設備等系統的關鍵元件。微波功放的增益、輸出功率、非線性等參數直接影響整個系統性能。S波段微波功率放大器研製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，功放的交調、諧波等非線性也與其匹配電路有關，電路設計時必須綜合考慮。

　　微波功率放大器關鍵在於輸入輸出匹配電路的設計。其功放匹配電路的設計可以採用近似線性的動態阻抗匹配、大信號S參數方法仿真，也可用諧波平衡法等非線性方法仿真。本文介紹了一種基於具有阻抗內匹配性質的場效應管設計的S波段功放，無需設計匹配電路，減少了優化設計的功放模塊，因此縮短了研發周期，降低了設計成本，提高了技術指標。

　　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，設計線性功放設計的重點在於交調。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，除了放大信號的頻率分量ω1和ω2，放大器還產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，為了滿足指標所提出的25 dB，必須級聯放大器。級聯放大器的驅動級對末級輸出的三階交調由下式計算可得：

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

　　因此，由式(3)可得：

 
　　2.2 FLM3135-18F簡介

　　砷化鎵FET不僅用於小信號放大，還可用於功率放大器，其工作頻率可擴展至毫米波段，組合多個單一器件實現較大的輸出功率。確定FET的輸出功率容量取決於3個因素：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，這樣增益將會隨柵寬增大而減少，因此，功率FET的功率增益較低，實際工作的FET功率放大器在進入飽以及1 dB起，增益則更低。另外漏極串聯電阻和源極電感的存在均使功率增益下降。

　　FLM3135-18F是FUJITS公司生產的工作頻帶為3.1 GHz～3.5 GHz的微波場效應管，內部集成有
　　匹配的輸入輸出阻抗網絡。在50 Ω系統的標準通信頻帶內可產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，為滿足設計指標的輸出功率要求，末級功放需加前級驅動放大。驅動放大器不僅要有足夠的帶寬、增益和輸出功率，同時還要有足夠高的線性度不至於對系統的交調、諧波產生影響。由式(4)可知，為使驅動級對總體的交調指標影響小於1 dB，在輸出回退6 dB的測試條件下，IM3應小於-53 dBc。主要採取了兩種措施保證其線性度：一是驅動放大工作在A類放大器。A類放大器的線性最好，不會引入大失真，同時工作在A類放大器的功率場效應管一般輸入輸出阻抗Q值低，易於寬帶匹配；二是選用輸出功率大於所需功率的高線性GaAs功率放大管，採取冗餘設計。

　　驅動級放大管選用Motorola公司的1 W GaAsFET。放大器的匹配電路採用微帶線和高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，然後再調整輸出匹配電路。實際測得輸出24 dBm，驅動放大器的IM3小於-60 dBc，基本不影響系統的輸出頻譜。圖1所示是驅動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系統設計的關鍵。即設計一個兩埠線性無源網絡，一埠負載為50 Ω，另一埠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，往往採用微帶線和並聯電容的混合網絡實現功放的匹配電路，輸人輸出電路拓撲類似，採用低通電路結構。但是由於高功率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解決器件的低輸入阻抗問題。

　　S波段FLM3135-18F微波管場效應管，具有內部阻抗匹配網絡，因此，設計時只需重點設計電源配置網絡，而輸入輸出端可以利用集總元件和分布元件作為匹配網絡。寬帶和功率電平大於5 W時，通常選州集總元件作為功率FET的輸入匹配電路，利用鍵合金屬線實現集總電感，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，並且具有足夠的熱和機械強度，小的溫度係數，40 V或更高的擊穿電壓。由於輸出阻抗比輸入阻抗高的多，輸出匹配網絡用集總和分布元件實現。圖2是末級放大器的原理圖。

 　　3 結束語

　　帶有內匹配電路的微波場效應管FLM3135-18F輸人輸出特性好，帶內功率、增益特性平坦，元需要設計複雜的輸入輸出電路，電路可靠性高。最終實測結果達到設計指標，滿足用戶要求，已成功用於某型號目標識別與感知平臺。

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