根據(jù)電壓控制增益電路理論及放大器設(shè)計原理，設(shè)計制作了一種基于GaAs工藝的可變增益功率放大器單片微波集成電路( MMIC)。采用電路仿真ADS軟件進(jìn)行了原理圖及版圖仿真，研究了增益控制電路在放大器中的位置對性能的影響。最終實現(xiàn)了在6～9GHz頻率范圍內(nèi)，1 dB壓縮點輸出功率大于33 dBm，當(dāng)控制電壓在-1～0 V之間變化時，放大器的增益在5～40dB之間變化，增益控制范圍達(dá)到了35 dB。將功率放大器與增益控制電路制作在同一個單片集成電路上，面積僅為3.5 mm×2.3 mm，具有靈活易用、集成度高和成本低的特點，可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信和數(shù)字微波通信等領(lǐng)域。

甚小口徑終端(verysmall aperture terminal，VSAT)和數(shù)字微波通信(也稱P2P通信)系統(tǒng)為商用微波無線信息傳輸系統(tǒng)，具有覆蓋范圍大、集成化程度高、對所有地點提供相同的業(yè) 務(wù)種類和服容性好、擴(kuò)容成本低、所需時間短、通信質(zhì)量好和安裝方便的特點。

功率放大器是微波無線信息傳輸系統(tǒng)的核心元器件，其性能直接影響發(fā)射機(jī)的作用半徑、線性特性以及整個系統(tǒng)的效率，它通常是系統(tǒng)中成本最高的元器件。當(dāng)代微波無線信息傳輸系統(tǒng)小型化的趨勢越來越明顯，這就要求元器件的集成度越來越高。

國外開展商用單片功率放大器研究較早，其中日本Eudyna公司的產(chǎn)品性能較佳，占領(lǐng)的市場份額最大，美國Hittite公司和Triquint公司也在近兩年推出了相應(yīng)的產(chǎn)品。中國在GaAs材料生長和器件研制方面也積極開展了相關(guān)的研究工作。

由于該功率放大器應(yīng)用于商用領(lǐng)域，所以對其性能和成本都有較高的要求，本文通過電路設(shè)計，將常規(guī)功率放大器的功能進(jìn)行擴(kuò)展，增加增益控制功能，能夠在實現(xiàn)系統(tǒng)小型化的同時，降低成本，同時，不會影響功率放大器的輸出功率和效率等相關(guān)指標(biāo)。

本文采用目前制作微波單片集成電路成熟的GaAs贗高電子遷移率晶體管(PHEMT)工藝進(jìn)行多功能功率放大器的研制，，其工藝穩(wěn)定，成品率高，在縮短研發(fā)周期和降低成本方面具有不可替代的地位。本文研制 的多功能功率放大器單片集成電路的面積與同樣指標(biāo)的功率放大器面積一樣，約為8 mm2，傳統(tǒng)室外單元的電壓控制可變衰減器(VVA)的面積約為1.7mm2，可見文中的多功能功率放大器將芯片面積節(jié)省了17.5%，有利于系統(tǒng)的小型化和成本的降低。

1 增益控制電路的設(shè)計原理

增益控制電路的作用是通過改變控制電壓，達(dá)到改變放大器增益的目的。增益控制電路在放大器中的位置至關(guān)重要，若放置于放大器的末級，會由于自身的損耗而影響輸出功率，放置于中間，會使放大器的中間級因無法將末級推飽和，從而影響效率。通過以上分析，將增益控制電路放置于放大器的第一級。

增益控制電路的原理如圖1所示，由兩個場效應(yīng)晶體管組成，F(xiàn)ET1的漏極與FET2的源極連接在一起，射頻信號從FET1的柵極輸入，從FET2的漏極輸出。圖1中:Vc為控制電壓;Vgs為柵壓;Vdd為漏壓;V1表示兩個FET連接點的電壓;Ids為FET1和FET2的漏極到源極的電流，圖1中FET1的源極和FET2的漏極連接于同一節(jié)點，所以Ids同時流經(jīng)FET1和FET2。該電路通過改變Vc的電壓值來改變增益。

圖1 增益控制電路拓?fù)鋱D FET工作在飽和區(qū)時的跨導(dǎo)gm，Ids與Vgs的關(guān)系如圖2所示。FET1的柵壓Vgs保持不變，則源漏電阻值的變化不會很大，在工作點的阻抗約為10Ω，由歐姆定律可知，V1的電壓值由Ids決定。FET2的漏壓Vds保持不變，Vc變化時，F(xiàn)ET2的柵壓相應(yīng)變化，由圖2的曲線可以看出，當(dāng)柵壓變化時，gm會產(chǎn)生變化，F(xiàn)ET2的放大倍數(shù)則相應(yīng)改變。同時，F(xiàn)ET2的柵壓變化時，根據(jù)圖3，Ids會有較大的變化。根據(jù)之前的分析，Ids變化時，V1的值也會相應(yīng)產(chǎn)生較大的變化，當(dāng)V1小于1V時，F(xiàn)ET1工作在圖3中的線性區(qū)，增益受漏壓影響較大，所以當(dāng)V1變化時，F(xiàn)ET1的放大倍數(shù)也會相應(yīng)變化。這樣，F(xiàn)ET1和FET2的增益都受Vc的控制，其共同的增益變化量成為功率放大器的增益變化范圍。

本文編號：33936