Ku波段多級(jí)功率放大器的研制

1、Ku 波段多級(jí)功率放大器的研制D esign of M ultistage Power Am plif ier i n Ku Band廖佳, 于小軍(南京理工大學(xué)電光學(xué)院江蘇南京210094【摘要】研制了Ku 波段多級(jí)功率放大器。該放大器采用難度大但尺寸小的級(jí)間共用匹配電路方式進(jìn)行級(jí)間匹配。達(dá)到指標(biāo)要求。關(guān)鍵詞:功率放大器, 多級(jí), 高增益【Abstract 】A m u ltistage pow er am p lifier in Ku band is designed in th is p ap er . Som e m atch ingcircu its are u sed by M e

2、sFET . T h is m atch ing circu it is hard to realize , yet its size is s m all. T he testing resu lt m eets the need of p erfo rm ance index .Keywords :pow er am p lifier , m u ltistage , h igh pow er gain1多級(jí)功率放大器級(jí)聯(lián)的種類1放大器級(jí)聯(lián)的種類一般有三種:(1 放大器之間加隔離器。這種方式首先將各級(jí)放大器分別調(diào)試匹配好, 然后通過隔離器串聯(lián)起來。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是級(jí)聯(lián)后放大鏈基本上無需再調(diào)

3、試, 且工作穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)是系統(tǒng)造價(jià)相對(duì)高, 體積、重量大。(2 放大器之間不加隔離器直接級(jí)聯(lián)。這種方式也是首先將各級(jí)放大器分別調(diào)試匹配好, 但在連接時(shí)不加隔離器。這種方式比較折衷, 在通信系統(tǒng)和一些低成本收發(fā)設(shè)備中常常使用。它對(duì)體積的要求不大, 但直接級(jí)聯(lián)后, 根據(jù)情況需要作一定的再調(diào)試。(3 放大器之間共用匹配電路。其特點(diǎn)是前一級(jí)放大器的輸出匹配電路和后一級(jí)放大器的輸入匹配電路是共用的, 即, 將前一級(jí)固態(tài)功率器件的輸出阻抗直接匹配到后一級(jí)固態(tài)功率器件的輸入阻抗。這類方式的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省體積、重量, 但設(shè)計(jì)困難、調(diào)試風(fēng)險(xiǎn)大、極易損壞固態(tài)功率器件。這種級(jí)聯(lián)方式在MM I C (M ono lit

4、h icM icrow ave In tegrated C ircu it 中較常見。 綜合三種級(jí)聯(lián)的優(yōu)缺點(diǎn)及系統(tǒng)對(duì)功率放大器體積的要求, 選擇第三種級(jí)聯(lián)方法。這種方法難度高, 要求放大管的參數(shù)準(zhǔn)確, 匹配電路準(zhǔn)確。2功率放大器的指標(biāo)功率放大器的指標(biāo)如下:工作頻率為17. 7GH z 18GH z ; 增益23dB ; 輸出功率P (1dB 19dBm ; 功率起伏1dB ; 輸入輸出駐波比2. 5; 尺寸為25mm ×20mm 。3功率放大器管芯選取系統(tǒng)要求功率放大器增益大于25dB , 輸出功率19dBm 。選用A lp ha 公司的功率放大器管芯A F 08P 22000。該管

5、芯的參數(shù)如下:典型工作狀態(tài)V ds =5V , I ds =140mA ; 8. 5GH z 增益9dB ; 1dB 功率壓縮點(diǎn)24dBm 。該管芯的源極已經(jīng)和背面的金屬通過通孔連接在一起, 所以, 使用時(shí)只需將背面的金屬直接接地就可以, 不需要再將源極與地連接。4功率放大器的設(shè)計(jì)A lp ha 公司提供了放大器管芯的典型工作狀態(tài)的S 參數(shù)。S 12很小2, 所以可以使用單向化設(shè)計(jì)方法。將上述S 參數(shù)作為一個(gè)黑匣子(b lack box 代入到A n soft Serenade 中設(shè)計(jì)電路。使用S 參數(shù)電路只能設(shè)計(jì)電路的匹配電路, 而不能加偏置電壓, 但由于設(shè)計(jì)一般放大器最關(guān)心的是放大器的匹配

6、電路(高功率非線性放大器則需要大信號(hào)模型 。設(shè)計(jì)時(shí)將偏置電路部分也設(shè)計(jì)在電路中, 這樣設(shè)計(jì)出來的電路只要濾波性能好, 則影響不大。借助于Serenade 中匹配工具可以得到三級(jí)放大器的大致框架。然后進(jìn)行優(yōu)化, 得到了最終電路, 見圖1。圖1三級(jí)放大器電路圖26收稿日期:20030221圖1中, C 表示電容; T 表示“T ”形結(jié); O 為開路微帶線; R 為扇形偏置微帶線; G 為地; L 為電感。上述電路中隔直電容采用A lp ha 公司的芯片電容SC 04701518, 電容值大小47p F , 插損小于0. 05dB , 尺寸:0. 457mm ×0. 457mm 。電容安裝

7、方法如圖2所示。 圖2芯片電容安裝圖5功率放大器的性能分析圖3是功率放大器的增益曲線圖, 在所需的頻帶內(nèi), 放大器的增益均大于27. 5dB。 圖3功率放大器的增益曲線 圖4放大器的駐波比曲線功率放大器的輸入輸出駐波比也是一個(gè)重要的參數(shù)。它影響放大器前后電路的性能。功放的輸入輸出駐波比曲線如圖4所示, 在頻帶內(nèi)駐波比最大為2. 2。6功率放大器的板圖功率放大器如圖5所示。尺寸:21mm ×17mm 。為了便于調(diào)試, 電路采用雙電源供電。濾波器采用扇形偏置、電感(隔射頻信號(hào) 以及大小電容(濾除射頻信號(hào)及電源紋波 。7功率放大器電路的整體布局放大器屏蔽盒寬度A 是個(gè)關(guān)鍵尺寸3, 必須滿足

8、A <2, 式中, H 是工作頻段高端頻率的波長(zhǎng)。如果不滿足上式, 在盒內(nèi)就可能產(chǎn)生波導(dǎo)型傳播。在電路中微帶線的開路端、跳變、分支線等不均勻處都會(huì)產(chǎn)生微波輻射。電磁場(chǎng)將以波導(dǎo)模形式在盒內(nèi)空間傳播。當(dāng)反向傳播的波構(gòu)成正反饋時(shí), 就出現(xiàn)頻帶內(nèi)增益平坦度變壞, 在某些頻率點(diǎn)上出現(xiàn)尖峰。反饋過強(qiáng)時(shí), 還容易出現(xiàn)自激振蕩。為滿足公式, 在頻率較高時(shí), 盒子寬度可能很小, 比如工作在17. 7GH z 的放大器, 盒子寬度最大允許8. 4mm , 而計(jì)算出的功率放大器電路寬度為17mm , 此時(shí)偏置電路將無處安放。通常的解決方法有兩種:一種方式是把偏置電路阻容元件放置在微帶基板反面; 另一種方式將微

9、帶電路設(shè)計(jì)在槽寬A 的內(nèi)盒中, 寬度滿足截止波導(dǎo)公式的要求。在寬度為B 的兩條外側(cè)盒槽中設(shè)置偏壓電路各元件, 饋電引線可在中間縱向隔板開槽孔或用穿心電容引入。這兩種方法對(duì)本系統(tǒng)都不適用。本系統(tǒng)兩面都布上微帶線, 所以第一種方法不適用; 由于本放大器的難度高, 可能需要調(diào)試, 如果采用第二種方法的話, 調(diào)試肯定不方便。所以, 采用金屬隔板的方法來隔離射頻電路與偏置電路。使微帶電路寬度A 滿足截止波導(dǎo)公式的要求。采用這種方法, 調(diào)試時(shí)可以根據(jù)需要將隔板移開或插上, 操作很方便。另外, 級(jí)間的隔離也采用加上金屬隔板的方法。三級(jí)功率放大器實(shí)物圖如圖6所示。圖5放大器的版圖8功率放大器的測(cè)試結(jié)果及結(jié)論研

10、制出的功率放大器測(cè)試結(jié)果如下:在17. 7GH z 18GH z 頻率內(nèi), 該功率放大器輸出功率大于20dBm , 輸出功率起伏小于1dB 。見圖7。36 圖6三級(jí)功率放大器的實(shí)物圖 圖7放大器的輸出功率測(cè)試曲線圖8放大器的功率增益測(cè)試曲線圖8為功率放大器的增益曲線, 在17. 7GH z 18GH z 內(nèi), 該功率放大器的增益大于26dB 。另外, 該放大器的輸入輸出駐波比在工作頻率范圍內(nèi)小于2. 4。測(cè)試結(jié)果表明, 該功率放大器性能滿足指標(biāo)要求。參考文獻(xiàn)1戴躍飛. 在無隔離直接級(jí)聯(lián)時(shí)放大器駐波對(duì)放大器系統(tǒng)性能的影響. 現(xiàn)代電子, 2001(2 :58622言華. 微波固態(tài)電路. 北京:北京

11、理工大學(xué)出版社, 19953中國(guó)集成電路大全編委會(huì)編. 微波集成電路. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 1995(上接第35頁圖2對(duì)應(yīng)的分解的圖像圖3對(duì)應(yīng)的復(fù)原的圖像現(xiàn)象。在低碼率時(shí), 兩者間的差距更為明顯。如果該方案采用并行快速算法和硬件實(shí)現(xiàn), 其實(shí)時(shí)性會(huì)進(jìn)一步提高, 所以, 該醫(yī)學(xué)圖像壓縮方案有較好的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1A Said , W A Pearl m an . A N ew Fast and Efficien t I m age Code Based on Set Partiti on ing in H ierarch ical T rees. IEEE T ran sacti on s on C ircu its and System s fo r V ideo T echno logy , 1996, 6(32E rik Sj o b lom . Comp ressi on of M edical I m age Stack s U singW avelets and Zero 2T ree Coding . M aster T hesis . L inko p ing :L inko p ing U n iversity , 20023徐佩霞. 小波分析與應(yīng)用實(shí)例. 合肥:中國(guó)科技大學(xué)出版社,20014陳武凡