引 言

隨著微波通信技術的發展，人們對通信系統的要求越來越高，比如小型化、可靠性等，微波單片集成電路(MMIC)憑借小型緊湊、穩定性好、抗干擾能力強、批量生產成本低和產品性能一致性好等特點成為軍事電子對抗及民用通信系統最具吸引力的選擇。贗配高電子遷移率晶體管(PHEMT)具有增益、噪聲、功率方面更加良好的特性，成為微波與毫米波單片集成電路和超高速數字集成電路領域最具競爭力的有源器件之一，當前，PHEMT MMIC研究已經成為MMIC研究的一大熱點。本文的功率放大器便是采用PHEMT工藝技術，設計要求工作頻段在3～4 GHz左右，其工作帶寬要求大于500 MHz，要求信號線性特性好，頻帶內增益平坦度平滑，電路工作性能穩定。其功率增益的要求為30 dB左右。

1器件選擇

設計采用TRANSCOM公司的PHEMT MMIC功放單片TC3331，TC3331是兩級的MMIC功率放大器。工作頻段為3.3～3.8 GHz(-3 dB帶寬)，可以實現帶寬500 MHz，P-1dB輸出功率為30 dBm，G1dB功率增益為30 dB，工作電壓一般為7 V，電流為700 mA。輸入駐波比VWSR最大值為2：1。具有低成本、高性能的優點。該功放管電源偏置采用的是正負電壓的偏置方式。在柵極和漏極的傳輸線上分別提供負壓和正壓偏置，這樣的偏置方式適合手高功率、高效率放大器的設計，而且引入的源極反饋最小，對管芯的參數變化不會明顯，放大器容易穩定。

2直流偏置電路設計

在進行功率放大器設計時，一定要讓電路在正確的直流偏置狀態下運行。為了保護場效應功率管，一般都要求先給器件的柵極提供直流偏置，再給漏極提供直流偏置。基于MMIC器件的功率放大器設計中，直流偏置電路不僅要隔離射頻信號，而且能提供放大器正常工作時的時序偏置電壓和電流。為了保證芯片的安全正常工作，使直流供電電路具有時序的開關響應，選用MAXIM公司的負壓器件MAX881R，一方面提供功放芯片所需的負電壓，另一方面在負壓穩定后產生控制電平的POK，實現供電電路的時序特性。同時選用International Rectifier公司的高速開關器件IRF9540N，完成對功放單片的供電控制。MAX881R的模型和主要控制時序圖如圖1和圖2所示。

由圖2可以看出，當芯片MAX881R開始工作時，7腳OUT輸出負電壓-2 V，通過分壓電路設置轉換為合適的負壓然后送給功率放大器芯片TC3331的柵極，以滿足VGS的需要。當VGS的電壓到達輸出要求的92.5％時，4腳POK由高電平變為低電平使得IRF9540N開關管導通工作(圖3)，輸出高電平，然后通過IRF9540N的源極給功率放大器芯片管的漏極VDS供電，從而實現對功放管時序供電和控制。

3 電磁兼容性屏蔽設計

為了滿足一定的電磁兼容(EMC)特性，盡量減少功放電路的微波輻射信號對整個電路的影響，設計了功放屏蔽盒來滿足這些條件。在設計時把微帶電路(包括有源和無源器件)放入盒體內，工作在其頻率以下將會減小微波元件由于輻射信號造成的影響。

式中：λH是工作頻段高端頻率的波長，如果不滿足式(2)，在盒體內就可能產生波導型傳播。在電路中微帶線的開路端、跳變、分支結構等不均勻處都會產生微波輻射，電磁場將以波導模式在盒內空間傳播影響到放大器的性能。當反向傳播的電磁波構成正反饋時，會導致頻帶內增益平坦度變壞，在某些頻率點上出現尖鋒。反饋過強時，還容易出現自激振蕩。同時，屏蔽盒相當于一個密閉的諧振腔，具有諧振效應，當電路工作頻率接近其諧振頻率時，部分能量被吸收，因而產生衰減的尖峰。設計時往往需修改屏蔽盒體尺寸，以避免諧振頻率落于微帶電路的工作頻帶內。

4電路仿真與分析

結合上述理論基礎和相關設計，在ADS中經過性能仿真和優化設計，在Protel中構建整個電路系統的原理圖如圖4所示。

整體電路原理圖中上面部分是可調解直流電源，位于功放屏蔽盒的外的硬件電路板，為功放電路提供正確的電壓供給，通過LM317可變電壓的緩慢調解，可以適當的改變功放電路的增益大小，增益動態范圍約6 dB。電路中間部分為功放電路的直流偏置電路，直流電源提供正確的電壓值給MAX881R。芯片MAX881R的7腳OUT一般輸出為-2 V，但是該輸出值是可以通過6腳FB外接電路調節的，通過電阻R6和R7與6腳FB接合在一起進行電路分壓，此時OUT輸出的值為-1 V，以滿足TC3331直流偏置Vg=-1 V的供電要求。調節的計算公式如下：

因為TC3331要求Vg=-1 V，所以通過式(3)可計算得R4=R5=100 kΩ。IRF9540N由4腳POK驅動控制，當無電源供給時(VCC=0 V)，MAX881R芯片4腳處于高電平，控制IRF9540N工作于截止狀態，源極無電壓輸出；當有正確電源(VCC≠0)供給時，經過一段時間MAX881R達到穩定后，4腳輸出變為低電平，此時控制IRF9500N導通正常工作，提供給功放管TC3331正常的漏極電壓Vd。對實際放大器電路進行測試，測試輸入信號源采用中心頻率為3.40 GHz振蕩器和100 MHz的UWB信號，測試的結果如圖5，圖6所示。

圖5是對振蕩信號放大的前后對照測試圖，可以看到信號的功率從-1.78 dBm增加到22.18 dBm，增益約24 dB，由于功放的接入對振蕩器輸出匹配特性和輸出S參數特性有一定的影響，再加上突發脈沖、噪聲的干擾等因素，使得功放放大后的振蕩信號的中心頻率發生了少許的偏差，偏低了約20 MHz(誤差允許范圍內)，整體性能良好，相位噪聲較低，頻率穩定性較高。圖6是對UWB信號測試的結果對照圖，信號的功率從-5.11 dBm增加到22.45 dBm，增益約27.5 dB，小信號增益已經接近功放管的理想放大增益值30 dB。可以看出圖6(b)中UWB信號的頻譜比圖6(a)放大后UWB信號的頻譜有更平滑的信號頻譜特性，說明UWB信號的波形失真小，該放大器的線性度高，可以滿足系統的設計要求。

5結語

對PHEMT MMIC功率放大器進行了全面的優化設計和實現，并通過功放硬件電路實測，測試結果證明了設計方案的可行性，功放電路的增益與理論基本一致，滿足系統的性能要求。功放盒體設計除考慮結構和散熱設計要求外，還考慮到了電路腔體內部電磁兼容特性的影響，確保了整個功放的穩定性和可靠性；方案采用了模塊化的設計思路，設計好的直流電壓源、偏置電路、直流供電模塊、功率放大結構均具有較好的通用性。