基于GaN器件射频功率放大电路的设计

1、南京理工大学硕士学位论文基于GaN器件射频功率放大电路的设计姓名：夏磊申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：赵建中20100601硕：论文基于器件射频功率放大电路的设计摘要本文主要是基于氮化镓（）器件射频功率放大电路的设计，在波段频率范围内，应用公司的氮化镓（）高电子迁移速率晶体管（和）进行的宽带功率放大电路设计。主要工作有以下几个方面：首先，设计功放匹配电路。在频带范围内，对中间级和木级功放晶体管进行稳定性分析并设置其静态工作点，继而进行宽带阻抗匹配电路的设计。本文采用双分支平衡渐变线拓扑电路结构，使用软件对其进行仿真优化，设计出满足指标要求的匹配电路。具体指标如下：通带宽度为，在

2、通带范围内的增益（，）、驻波比、，输出功率压缩点分别大于、，效率大于。其次，设计功放偏置电源电路。电路要求是负电压控制正电压并带有过流保护功能，借助模拟电路仿真软件，设计出满足要求的电源电路。最后，分别运用和制图软件，绘制了功率放大电路和偏置电源电路的印制电路板，并通过对硬件电路的调试，最终使得整体电路满足了设计性能的要求。关键词：功率放大电路，高电子迁移速率晶体管，宽带匹配硕士论文功（）（）：，：，（，），：，（），声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或

3、学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：山年占月牛日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：山年名月牛日硕士论文基于器件射频功率放大电路的设计绪论研究背景以氮化镓（）、碳化硅（）等宽禁带材料为代表的第三代半导体材料是继第一代半导体材料（硅、锗为代表）和第二代半导体材料（以砷化镓、磷化铟为代表）之后，在近年发展起来的新型宽禁带半导体

4、材料。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大（），击穿电场强度高（约是的倍），功率密度大（比传统的金属半导体场效应管（）及异质结双极型晶体管（）高倍），热导率大等诸多优点，因此非常适合制作大功率和高密度集成的电子器件。【】射频功率放大电路应用于发射机末端，负责完成信号的功率放大，是发射机不可缺少的重要组成部分。射频功率放大电路按照工作频带分，可分为窄带放大、宽带放大和超宽带放大；按照工作状态分，可分为线性放大和非线性放大：按照放大电路的类别分，可分为、等类。但是无论哪种射频功率放大电路，它们共同的几个重要指标是：饱和输出功率、效率、线性度、功率增益以及增益平坦度等。【】以氮化镓（）、碳化硅（）等为代表

5、的宽禁带半导体材料己应用于功率放大电路中，特别是氮化镓高电子迁移速率晶体管的研究开发，极大地改善了功率放大电路的性能指标，使得在相同输出要求条件下功率放大电路体积更加小型化。【】由于目前对以氮化镓（）、碳化硅（）为代表的第三代宽禁带半导体芯片的研发尚不成熟，使得第三代宽禁带半导体芯片的价格比较昂贵，应用领域受限。高温、高频、高功率密度射频微波器件一直是军事领域急需的电子器件，同时也备受商业领域的青睐，宽禁带半导体材料在上述方面具有砷化镓（）等第二代半导体材料所无法比拟的优势，并且随着宽禁带半导体技术的不断成熟、器件性能的不断改善、价格的降低，以氮化镓（）、碳化硅（）为代表的宽禁带半导体射频微波

6、器件必将在雷达、电子对抗、通信系统中取得广泛的应用，而且也将解决航空航天电子设备等方面的难题。射频功率放大电路的简述无线通信系统要求一端有一个发射机发送带来信息的信号，另一端有一个接收机来接收相应的信号。功率放大电路是无线通信系统发射机中的核心部件，应用于发射机的末端，如图所示：【】绪论硕：论文信息信号图无线通信系统发射机的简化框图功率放大电路的最重要指标即是饱和输出功率和效率。由此，可将功率放大电路分为、等类。归纳分类原则，可以分为两种：一种按照晶体管的导通情况，另一种是按照晶体管的等效电路划分。按照信号一个周期内晶体管导通情况分：功率放大电路可分为、三类。信号在一个周期内全导通，导通角，称

7、为类，一个周期内，只有一半导通的称为类，即，导通角小于半个周期的称为类，即。如果按照晶体管的等效电路分，则、属于一大类功放，他们的晶体管都等效为一个受控电流源；而、属于另一类功放，它们的晶体管等效为受输入信号控制的开关，都属于高效率非线性功率放大电路。此外，按照工作频带划分，还可以分为宽带和窄带。不论哪种功率放大电路，它们共同的几个重要指标是：输出功率、效率、线性度、功率增益和频带外的寄生输出等。因此，功率放大电路具有以下几方面的特点和要求：【】（）输出功率尽可能的大，通常用最大不失真输出功率表示。（）转换效率要高。（）非线性失真要小，要得到大的输出功率，就要求晶体管工作在极限状态，所以由晶体

8、管的特性引起的非线性失真不可避免。（）功放电路中晶体管的选择和散热问题。在功放电路中，为了使输出功率尽可能大，功放管常工作在接近极限状态。所以在选择功放管时，必须考虑使功放电路的工作状态不超过功放管的极限参数。同时，在功放电路中，相当大的功率消耗在功放管上，使功放管的结温和外壳温度升高。因此，常对功率管加上一定面积的散热片。本论文的研究内容综述本论文的研究内容是基于器件射频功率放大电路的设计。详细阐述了第三代半导体技术的发展现状及应用领域、射频功率放大电路的基本理论，从工程上完成了所要求频段的功率放大电路的仿真设计，射频功率放大电路制板，最终经过调试，基本实现了满足指标要求的功率放大电路。硕十

9、论文基于器件射频功牢放人电路的设计本论文的内容结构安排如下：第一章为绪论，简要叙述本文的研究背景、功率放大电路的分类以及主要特点。第二章为射频功率放大电路的基本理论，叙述功率放大电路的基本理论、主要指标及其特点，对其参数做了相应的阐述。这是本论文的理论核心和工程实现的依据。第三章和第四章为基于器件射频功率放大电路的研究与设计，此部分是整个论文的工程实现部分。主要进行了在所要求频段内选取功率放大电路的输入输出匹配电路的研究和设计，这是整个电路设计的核心，功率放大电路的匹配电路根据工作频段的不同，有集总参数匹配电路和分布参数匹配电路两种形式，并且每种匹配电路都有不同的匹配结构，通过仿真分析，最终设

10、计出满足指标要求的宽带匹配电路结构。功率放大电路的偏置电源电路设计，设计出具有负电控制正电、过流保护功能的功放偏置电源电路。完成功率放大电路的实物制作与调试工作，对调试中的相关注意事项做出说明。最后进行总结，对论文的不足之处和相应的可改进地方做出说明。射频功率放火电路基本理论硕：论文射频功率放大电路基本理论射频功率放大电路是各种无线发射机的主要组成部分。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要进行一系列的放大如中间级、末级功率放大，获得足够的射频功率后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大电路。射频功率放大电路的设计需要对输出功率

11、、功耗、失真、效率、增益以及尺寸等问题进行综合考虑。为了实现有效的能量传输，天线和功率放大电路之间需要采用阻抗匹配网络。射频电路基本理论射频电路的设计既借鉴了低频音频电路的设计方法，又借鉴了微波电路的设计方法，但是和这些技术是有很大差异的。在当前的应用中，射频的范围一般指到，乜当前的多数无线电通信活动都是在这个范围内发生。在这个频率范围内，工程师必须要考虑辐射、寄生耦合，以及电路元件的频率响应。射频电路与数字、低频电路的不同之处在于大量使用无源元件，它们主要应用于：阻抗匹配或转换、抵消寄生元件的影响（扩展带宽）、提高频率选择性（谐振、滤波和调谐）等。明工作频率的提高意味着波长的减小，当频率提高

12、到其波长与电路的尺寸相当时，电压和电流不再保持空间不变，必须用波的特性来分析它们。一根导线与电线（或者地面）就构成了信号传输线，电磁波将沿信号线传播，并被严格地限制在信号线之间。瞄传输线种类很多，常用的有同轴线或同轴电缆、微带线和共面波导等。当波长与电路元件尺寸相当时，电压和电流不再是空间不变量，因此不能再通过基尔霍夫电压和电流定律对宏观的传输线传输特性进行分析。但是，可以对传输线进行分割，当传输线被分割成较小的线段时，它既可以用分布参量来描述，又在微观尺度上遵循基尔霍夫定律。每个被分割的单元可以用图所示的等效电路描述。¨刀图传输线分割单元的等效电路由电路的高频特性可知，、和都是与频

13、率相关的参量。很明显，这些参量的值与工作频率和应用传输线类型有关。这种表示方法的优点是：提供了一个清楚的、直观的物理图像，有助于标准化两端口网络表示，可以用基尔霍夫电压和电流定律进行硕七论文基于器件射频功率放大电路的设计分析，提供了从微观向宏观形势扩展的建立过程。隅了解了传输线的基本模型和模型参量后，下面就可以分析描述传输线特性的物理量特性阻抗。先假设传输线是无损耗的，即：，则图所示的传输线分割单元等效电路可简化为图所示的形式，首先对这个电路的电压、电流特性进行分析。，一三卜一厶心二工二二图无损耗传输线分割单元的等效电路由基尔霍夫定律以及电容和电感的特性可以得到：三业塑盟：一塑塑岔堡盟：一皇型

14、应因此鲁她力枷等可（，）三矿（，）（）（）（）等砸，）瑙等砸纠（）但是，更值得关心的是输入线在正弦信号激励下稳态响应，加入正弦激励后，电路的方程为：，（）：一导（）（）（）：一导，（）（）因此箬）（）解这个方程，最终得到的电压和电流仍然是波动形式的：（）一肛（），（）五（：）（）式中（）所含两项分别为入射波和反射波，和分别为时入射波和反射波的幅射频功率放人电路基奉理论硕上论文值。式（）、（）中有一个十分重要的参量，它可以用式（）来描述：面（）这个参量被称为波的相位常数（），单位为，表示在一定频率下，行波相位沿传输线的变化情况，因此，它与波速有关。公式（）、（）中入射波电压和电流分别为彳一肛和乓

15、么一肚，在没有反射的情况下，传输线上任意一点的电压与电流的比值定义为传输线的特性阻抗。：可抬（特性阻抗可以理解为无限长传输线的输入阻抗。对于图中描述的有损传输线，同样可以得到它的特性阻抗为：藤（）为了有效地减少无源、有源器件的个数，避开电路的复杂性和非线性效应，简化电路输入、输出特性关系，可以用网络模型来代替基本电路。在射频电路设计中，最常用的就是二端口网络，包括放大器、滤波器甚至混频器在内的很多电路都可以用它来描述。下面将对它进行简单的介绍，并给出它的各种参数。图给出了二端口网络的模型。端口端吃图二端口网络在图中，已经确定了一些电压极性和电流方向的相关基本规定。正确地描述一个二端口网络需要确

16、定其输入和输出阻抗以及正向和反向传输系数这个参数。在绝大多数涉及射频系统的工程实践或者数据手册中，经常用到散射参数的概念。在实际应用中，用导线形成短路，而导线本身存在电感，并且这个电感值在高频下很大；在开路的情况下，终端也会形成负载电容。利用参量描述和测量射频器件可以避免不现实的终端条件。参量表达的是功率波，它可以用入射波功率和反射波功率的方式定义二端口网路硕士论文基于器件射频功率放大电路的设计输入、输出之间的关系，如图所示：盥】图二端：网络参量的规定可以用式（）和式（）来定义归一化入射波功率口。和归一化反射波功率以：（）（）式中下标珂表示端口编号或。阻抗表示连接在输入输出端的传输线特性阻抗。

17、由式（）和式（）可以得到：圪厄（。）（）去。训对于每个端的功率，可以表示为：只。互以明抛制）因此，可以定义参量为式（）：卧匮蟪其中各符号的意义如式（）、（）、（）、（）所示：端口反射波端口入射波端口反射波端口入射波端口反射波端口入射波端口反射波端口入射波（）（）（）（）（）（）（）一圪吆上厄上压一射频功率放大电路基本理论硕上论文由于参量直接与功率有关，因此，可以采用它们来表达归一化输入、输出波。例如端口的平均功率应为：鼻：三崾）汜，当输出端口匹配时，输入端口的反射系数满足如下关系：埘（）参量是射频电路中最常用的参量，它的物理意义十分明确，例如对。的模取对数就可以得到以为单位的回波损耗：（）一（

18、）另外，端的电压与信号源的电压有直接的关系，所以：可以用来表示网络的正向电压增益：，材（）这两个参量比较重要，此外，：能确定端的反射系数，：可以确定反向电压增益。和：可以直接由阻抗参数确定，。：和曼，则需要适当的网络参数代换相应的电压求得。二端口网络是分析射频电路最有效的手段之一，因此在射频电路中有着十分广泛的应用。功率放大电路设计理论基础功率放大电路设计包括同时提供准确的有源器件建模、有效的阻抗匹配（依赖于技术要求和工作条件）、工作的稳定性并易于实现等。功率放大器的设计品质的评估是在稳定工作条件下使得放大器级数最少，实现功率增益最大。汹为了稳定工作，必须计算有源器件潜在的不稳定工作的频域。为

19、了避免寄生振荡，需要讨论不同频率范围（从低频到靠近器件的特性频率）的稳定电路技术。功率放大器的关键参数是它的线性度，这个参数对移动通信应用是非常重要的。另外，功率放大器的其他参数有最大输出功率、效率、压缩点、三阶交调点等。器件的偏置条件决定了工作状态。汹功率放大电路的主要特性图给出了一般的单级功率放大电路框图。双端口有源器件由个导抗参数系统来表征，即任何阻抗参数系或导纳参数系，它们主要用于实际的功率放大电路设计。匹配电路变换源和负载导抗，即和睨，分别成为、和、之间的一定的值，硕士论文基于器件射频功率放火电路的设计由此来实现功率放大电路的最佳设计工作模式。乜¨图一股的单级功率放人电路给

20、定输入和输出电压，将有源器件用参数矩阵表征：在这种情况下，输入信号源用电流源和内导纳表征，如图）所示。如果双端：有源器件用参数系描述，输入信号源则以电压源和内阻抗。表征，而负载则以负载阻抗，的形式描述，如图）所示。在这两种情况下，导纳和，阻抗。和，都是通过输入和输出匹配网络向源方向和负载方向看过去的导纳和阻抗。啪净【】圪珞【】）图双端加载放大器网络为了计算功率放大电路的电特性，考虑一个参数系，在这种情况下有源器件用下列方程组来描述。，（）【砭依赖于器件输入口和输出口的阻抗匹配，根据参数，可推导得到放大电路的几个功率增益，定义如下：】工作功率增益工作功率增益（最已）是耗散在有源负载与传输到器件具

21、有输入导纳圪输入端上的功率之比，这个增益与无关，但是强烈地依赖于。资用功率增益资用功率增益（一埘）是有源器件端有导纳的输出功率与源电导上的资用功率之比。此功率增益与有关，与工无关。转换功率增益转换功率增益（最）是耗散在有源负载上的功率与源电导为的资用射频功率放大电路基本理论硕上论文功率之比。这个功率增益假设有源器件输入、输出端共轭匹配，它既依赖于也依赖于。最大资用功率增益最大资用功率增益（）是有源器件的反向转移导纳，设置为零时，理论上的有源器件的功率增益。这是假设有源器件输入口、输出口分别与源和负载共轭阻抗匹配下，有源器件能达到的理论极限增益。实际上，表征一个放大电路增益特性，使用两种类型的功

22、率增益：工作功率增益和转换功率增益。工作功率增益适用的最多，这是因为在实际情况下，一般需计算器件输入口的功率，这个器件需传递到负载给定的功率。但是，为了分析稳定性条件，知道源阻抗和负载阻抗的值是非常重要的。因此，在这种情况下，宁可使用转换功率增益，在考虑稳定性的限制下，需尽可能地增加这个增益。首先，依据双端口参数作，的估算。若有源器件输入端口的幅值设为，那么圪圪（）式中，圪是双端口网络加载导纳虼后在、端口的输入导纳。给定，：一，的表达式可以从式（）中定义：一夏鬲（）耗散在负载上的输出功率可定义为：兄曙圪（）结果，工作功率增益，可写成如下式：，：墨：噬擎垦（）。匕艺圪匕工作功率增益。不依赖于源的

23、参数与特性，仅仅影响有源器件输入端口到负载的功率传递。当总的功率增益，（，彻，）等于每级增益的乘积时，这个工作功率增益可帮助估算多级放大器的增益特性。转换功率增益包含源和负载分别共轭匹配的假设，这意味着匕乓，式中巧是源导纳共轭值，它匹配于有源器件的输入端口的匕。结果，源资用功率是硕上论文基于器件射频功率放人电路的设计击，如果，乓，。，使用式（），源电流表达式可写成如下：，：！圣！±圣！兰！±互二墨圣！形（）一、使用式（）和式（），转换功率增益可写成如下形式：，：墨：型垦！垦！圣垦！蔓（）。（珐）（砭：虼）一：。最后，对参数系、和输入输出阻抗的表达式使用同样的分析方法，使用导

24、抗参数、可以得到一般化的表达式如下：既一器（）巩一器（）。：幽：擘坠（）哪瓦而丽丁：堡！坚堕坠咝一（）彳，。（彬。）（睨）一：。从式（）和式（）可知，如果，则彬。，。从而，从式（）或式（）中，在有源器件输入口和输出口共轭匹配下，可得到下述的表达式：！坠！（）的大小仅依赖于有源器件的导抗参数。功率放大电路的稳定性分析功率放大电路设计的目的在于在预先估计稳定度并给定输出功率值的情况下，得到最大功率增益和效率。功率放大电路的不稳定性导致不希望的寄生振荡，使得输出信号失真。放大电路不稳定的主要原因之一是通过有源器件的内在电容、内在电感，以及外部电路元件，由输出端正反馈到输入端口。因此，任何功率放大电路

25、，特别是在射频和微波频率匕，稳定性分析是非常关键的。射频功牢放人电路皋奉理论硕论文有源双端口网络导抗稳定性分析方法表明：给定具有输入和输出端口两端开路的有源器件，下列方程是无条件稳定的必要和充分条件：暇细）既）】（）【的）既）或睨），）】（）【睨佃）甜）式（）和式（）相反符号的情况，有源双端口网络可以认为是不稳定的或潜在不稳定的。当晒）】和）】，放大器无条件稳定的条件可简化为。佃）】，埘曲）】（）根据式（）和式（），既的值依赖于负载导抗睨，而源导抗岷的变化导致呒圳的改变。因此，如果为负值，有源双端口网络在一定的有限值导抗下为潜在不稳定。因此，对无条件稳定放大电路工作模式下，需满足下列条件：佃）

26、】（）仔细的分析式（），解方程式略，给定为常数值下，可以找到最小的正值。，地吩咚等，式（。）右边的分数是职的函数，当时能得到最大负值，结果如下：埘：一可，矿（，）（）结果，式（）中最小下值的要求可以写成一彤（）（）作为既的函数，导抗既优化后能得到这个相同的结果。由式（）可以看到在此条件下，有源器件在任何频率下无条件稳定，而这个条件的执行不管源和负载导抗畎硕上论文摹于器件射频功率放人电路的设计和睨为任何值。归一化式（），引入器件的稳定性因子：，丁（一，）磁：。应该注意到：式（）、（）被下列要求所限制：）】（）】比较式（）和式（）指出：如果，有源器件是无条件稳定；就是潜在不稳定。考虑到式（）所叙述

27、的条件可得到下述不等式：（。：畈。）彬：。（）（）如果，（）器件稳定性因子最小可能的值可定义为。结果，值仅安排在区间，）。当有源器件潜在不稳定时，放大电路的稳定性可通过适当地选择源和负载导抗和睨而得到改变。在这种情况下，电路的稳定性因子可同器件的稳定性因子一样来定义，但考虑到睨和吼及器件的参数，电路的稳定性因子由下式给出：（，）（）（一，）（）。彬：“。如果电路的稳定性因子，放大电路无条件稳定；如果丁，放大电路是潜在不稳定的；对应电路无条件稳定的“边界。如果睨兰，电路稳定性因子的值和器件稳定性因子的值是相同的，即。当有源器件稳定性因子，功率增益尸必须最大化。由式（）定义的工作功率增益，指出：它

28、是睨和睨的函数。仔细分析式（），可能找到最佳值町和贬，在这种情况下，工作功率增益最大，解下述两个方程组：盟：旦：（）睨睨可得暖和町的最佳值，它们依赖于有源器件的导抗参数和器件的稳定性因子：孵：监型厄百彬（）射频功率放人电路基本理论硕士论文孵：螋一职，彬，“得到的贬和贬值代入式（）中，可得一的方程式：一例肛历）（）（）只有，才可得到一，若，则？一，形：。如果源与有源器件输入端共轭匹配，必须满足下列条件：形产既既（）这样，将这些表达式代入到式（）中，得到最佳值町和既是有源器件导抗参数和器件稳定性因子的函数，它们的表达式如下：孵：坠型厄巧（）。蝶裂一彬。（）式（）、式（）与式（）、式（）相比较后表明

29、，这些表达式是相同的。这样，具有一个无条件稳定的有源器件的功率放大电路，仅仅只要有源器件的输入和输出端口分别与源和负载共轭匹配就可实现最大功率增益工作。结果，对于无耗输入匹配电路，当源的资用功率等于传递到有源器件输入端口的功率时，即己时，最大工作功率增益等于最大转换功率增益，即，一舳。本章小结本章主要介绍射频功率放大电路的基本理论知识，包括射频电路基本理论、射频功率放大电路理论基础等。第节简要地介绍传输线分割单元的高频等效电路以及二端口网络的分析方法。第节介绍了功率放大电路的主要特性以及功率放大电路的稳定性分析，并说明了这些参量对射频功率放大电路的影响。本章是射频功率放大电路设计的基础内容，也

30、是后面应用氮化镓高电子迁移速率晶体管进行功率放大电路设计仿真分析的理论基础，只有了解这些基本内容，才能在进行功放电路设计仿真中有效地设置和改变参数，设计出合适的电路拓扑结构。硕士论文基于器件射频功率放大电路的设计射频功率放大电路的设计（一）射频功率放大电路的设计目标是在指定的频段范围内设计出符合指标要求的电路结构形式。在功率放大电路设计中，常用的指标有饱和输出功率、在此饱和输出功率下的效率、增益压缩点、增益平坦度、回波损耗等等。宽带功率放大电路的设计是在更宽的带宽范围内达到满足上述指标的电路结构形式，这无疑增大了设计的难度和工作量。寻求更好的阻抗匹配电路结构是解决功率放大电路最大功率传输的根本

31、途径。本章着重讨论宽带阻抗匹配电路的设计，对公司的高电子迁移速率晶体管在宽带范围内作输入输出阻抗匹配，从管子本身的阻抗入手，加以分析讨论，寻求满足指标要求的电路结构形式。前级功放管的选取功率放大电路是将输入的信号在尽量不改变其波形的情况下，放大到实际需要的幅值，由于本论文最终是设计出输出功率达到的功率放大电路，采用三级级联放大，因此，前级功放芯片的增益和输出功率是主要考虑的问题。下面将讨论分析前级功率放大管的特性参数，找到适合本功率放大电路的前级功放芯片。前级功放管特性参数通过查询一些功放芯片的参数资料，发现公司的功放芯片能够满足指标要求，其增益在内大于，回波损耗在以下，输出功率压缩点为。其功

32、能图如图所示。表给出了的基本的电气特性参数，图为此功放芯片的增益和回波损耗特性曲线图。图的功能图，。，射频功率放人电路的设计（一）硕论文表的电气特性（）（）（）（）（，）侣艘诺弛懂粥嚼图增益和回波损耗特性前级偏置电源电路的设计由于是需要三个电源（包括两个正电和一个负电）来供电，且由表可知，需要的电压分别为，一，。又由于需要使，通过芯片资料得知，调节负压在到之间变动，可以得到。这样，就需要自己设计一偏置电源电路，方便其供电。博硕士论文基于器件射频功率放大电路的设计图偏置电源电路原理图上图电路是制板软件下的的电路原理图：用两片三端稳压器搭成正电供给电路，一片三端稳压器搭成负电供给电路，通过用一个可

33、调电阻和固定值电阻分压，得到所需要的负压值。电路的输入端有滤波电路为其滤波，其中，电感有抑制浪涌电压的作用，电路输出端用电解电容为输出电压滤波。图所对应的板图如图所示。射频功半人电路的世计硕±诧陶偏苴电源电路版图由于是输入输出都已经匹配好的功放芯片，因此，输入输出匹配网络不需要自行设计，只需要将此功放芯片焊接在输入输出阻抗为的微带线上，微带电路所用介质基板为，介电常数为，基板厚度为。是通过措金丝焊接的，输入输出端都需要加隔直电容。其数值由抽；选取，由于工作频段为，经计算得，选取。由于功放芯片是非常昂贵的，且以场效应管居多因此在焊接或测试时都要特别注意，否则会造成巨大的损失，并且功放芯

34、片特别怕静电，这主要是由于输入输出电容特别小（级），由，可知很小的电荷量就可以产生很高的电压（几千伏甚至上万伏的高压），直接导致栅极被击穿，从而功放管损坏。在测试时，加电也要注意顺序，在加电时要先加上栅源电压，再加上漏源电压，通过调节栅压，使得漏极电流达到所需要的数值。把电拆除时，顺序要反过来，即先拆除漏源电压，再拆除栅极电压，并且整个测试过程要防静电，这样爿能使得功放管尽量少的由于人为因素而损坏。中间级功放电路的设计功率放大电路设计的主耍工作之一是匹配电路的设计，功放管在其频段内能否较好硕士论文基于器件射频功率放大电路的设计地发挥出其性能也在于匹配电路设计的好坏。匹配电路的设计实际上就是构建

35、一个合适的无源无耗两端口网络，以完成阻抗变换的功能。射频阻抗匹配电路包括集总参数匹配电路、分布参数匹配电路和混合式匹配电路。集总参数匹配电路通常适合工作在以下的射频频段；分布参数匹配电路适合工作在以上的射频频段。针对不同的设计要求，选择合适的阻抗匹配电路。由于本电路设计的频段是，因此匹配电路应采用分布参数匹配网络形式。中间级功放电路静态工作点的选取如图所示为外形封装图，表为其外形尺寸。图外形封装图表外形尺寸在公司的芯片资料中，给出了氮化镓高电子迁移速率晶体管的饱和输出功率为，即，在饱和输出功率下的效率为，即，并且由芯片资料可知，其漏源电压，。通过静态工作点的直流偏置仿真，可以确定其栅源电压。在

36、电磁仿真软件下，将公射频功率放大电路的设计（一）硕上论文司的大信号模型放入电路中，进行直流静态工作点的仿真分析，如图所忻图静态上作点仿真模型图中，在中设置的变化范围从到，的变化范围从到一，从而得到其直流静态工作点的仿真曲线如图所示一，自厂泸工，丝三二，一吕一一一一图静态工作点仿真曲线在图中，设置静态工作点为，一，得到此时的静态漏源问的电流为，并且可得在此状态下的静态功耗为。中间级功放管输入输出阻抗分析设置好静态工作点之后，就可以对进行输入输出匹配电路的设计，在设计之前，首先要对输入输出阻抗仿真分析，从而为选择合适的阻抗匹配拓扑结构。在电磁仿真软件参数仿真分析模块下，导入仿真模型，如图所示硕上论

37、文基于器件射频功率放人电路的设计暑图输入输出阻抗分析参数仿真模型在图中，选择模型的输入输出电容均为理想的隔直电容，电感也为理想的电感，并且其输入输出端口阻抗均为欧姆，栅极供电电压为，漏极供电电压为，这样在参数仿真模块下，得到的输入输出特性阻抗曲线，如图所示。图）输入阻抗实部图）输入阻抗虚部射频功率放大电路的设计（一）硕：论文图）输出阻抗实部图）输出阻抗虚部图），图）分别为输入阻抗的实部变化曲线和虚部变化曲线，可以看到输入阻抗的实部在范围内变化很小，虚部在此频段内约从到呈现出线性变化，表现为感性阻抗。图），图）分别为输出阻抗的实部变化曲线和虚部变化曲线，可以看到输出阻抗在范围内实部变化比较小，但

38、比输入阻抗实部变化大些，其虚部也呈现出线性增长变化，并且也呈现出感性阻抗。从输入输出阻抗参数随频率变化曲线可以看出，的输入输出阻抗具有很好的一致性，这表明在设计输入输出阻抗匹配电路时，拓扑结构必然也具有其对称性，为设计功率放大电路的阻抗匹配电路节省了大量的时间和精力。因此，在进行功率放大器的匹配电路设计时，分析一个管子的输入输出阻抗是非常重要和必要的。以上是对氮化镓高电子迁移速率晶体管的静态工作点进行仿真分析，从而确定了合适的静态工作点，并且详细分析了其输入输出阻抗特性。由输入输出阻抗的一致性，可确定在对氮化镓高电子迁移速率晶体管进行匹配电路设计时，其输入输出阻抗电路必然具有对称性的拓扑结构。

39、硕士论文基于器件射频功率放火电路的设计中间级功放高阻线的设计功放电路在正常工作时必须有偏置电源为其提供合适的静态工作点，这样才能对输入射频信号进行放大输出。因此，偏置电源为其供电时，必须要保证电源的直流信号可以顺利向所在的功放电路的栅极、漏极提供偏置电压，并且还要保证功率放大器输入输出信号不会从偏置电路泄露。故需要在所要求的频段内设计一高阻线，使其对于直流表现为通路，射频信号表现为开路，即相当于扼流圈的作用。高阻线的设计仿真图如图所示。图功放电路高阻线的设计在图中，可以看出所选用的高阻线由一段微带线、一个扇形线和个集总参数电感组成，微带线的宽度在射频频段由特性阻抗决定，而特性阻抗与介质板的厚度和介电常数有关，在这罩选用的介质板为，介电常数为，厚度为，具体参数如下：（）（介质板厚度）：（）（相对介电常数）：（）（相对磁导率）：（）（相对电导率）：（）（微带线封装高度）：（）（微带线金属层厚度）：（）（微带线损耗角正切）：（）（微带线表面粗糙度）：在上述参数条件下，应用电磁仿真软件中微带线计算工具，可得特性阻抗为欧姆下的微带线宽为。根据微带线理论，当九传输线终端开路时，输入端等效为短路；当传输线终端短路时，输入端等效为开路。应用此结论，便可设计出对射黠景强呦射频功率放大电路的设计（一）硕论文频信号起到扼流作用的高阻线，又由于中间级功放所要求的频段为一，属于宽带