基于小信号S参数的功率放大器设计

   目前，微波功率放大器的设计方法主要有以下几种：

　　(1)动态阻抗测量法。在实际的工作条件下，使用仪器测量功率管的动态输入阻抗以及输出阻抗。通常输出功率越大的功率管的输入输出阻抗越低，因此不容易得到准确数值。

　　(2)负载牵引测试法。现在有专门测量负载牵引用的仪器，把功率管装配到测试架上，接到负载牵引的仪器上面，使用仪器改变放大器输出端口的匹配负载，测量不同负载下的增益和输出功率。这些数据可以直接在电脑上存取，使用方便，比过去使用的负载牵引的测试方法要简单，但是该仪器价格比较昂贵，只有专业设计生产管子的厂家才会配备。

　　(3)非线性分析法。如果能得到功率管的大信号非线性模型，可以使用软件的非线性仿真功能来确定比较合适的负载阻抗和源阻抗，从而得到功率管的非线性性能。管子模型的建立比较困难，但是建模以后再次使用会比较方便。

　　(4)小信号S参数分析法。在小信号设计中确定最佳输出阻抗通常使用负载线法，负载线法的主要工作是计算功率管的负载线，在使用的电压确定的情况下，根据输出功率参考功率器件资料中给定的电流-电压曲线可以得到该曲线，从而确定出最佳输出阻抗的实部。该方法使用仿真软件就可以进行，不需要昂贵的仪器，适用于大多数的设计情况。

　　除了高线性的功率放大器外，大部分的功放是工作在大信号状态的，属于非线性器件。理想情况下，设计者应该使用功率管的大信号参数进行设计，但在大部分情况下，设计者很难获得功率管的大信号参数，器件厂商提供的只有小信号S参数以及静态I～V曲线。采用小信号S参数之前，首先根据I～V曲线计算出最大功率输出时功率管的负载电阻，再通过匹配电路对功率管输出电路进行匹配，就能够得到最大的输出功率。同时也需要对输入电路进行匹配，以得到较高的增益和良好的驻波特性。

　　1 小信号法设计步骤

　　首先把功率管的小信号S参数输入到仿真软件，对其增益和输入匹配电路进行优化，再利用功率管的I～V曲线确定器件在最大输出功率时的漏极实部阻抗R。R既可以通过测量得到，也可以通过器件静态I～V性来确定。一般来说输出阻抗纯实部负载阻抗R外，还有虚部阻抗，因此需要在在漏源之间并联一个电容CDS。器件在封装的时候会引入很多寄生元件，如果不考虑这些寄生元件得到的匹配电路通常都是不正确的，因此需要确定出封装器件的这些寄生元件。从器件的小信号S参数提取则是一种比较方便实现的方法，为了减小工作量，通常使用计算机辅助设计技术进行仿真。下面以Fujitsu公司的FLLl77ME为例说明功率放大器的小信号S参数设计方法。

　　2 小信号S参数法设计功率放大器实例

　　2．1 输出电路匹配

　　(1)根据功率管I～V曲线，计算最大功率输出时的负载线实部电阻R。

　　其中，VD是漏极的偏置电压；VS为拐点电压，约为2 V；Idss是饱和漏电流。

　　根据富士通公司给的FLLl77ME的资料的静态I～V曲线，计算电阻最佳负载线可得VD=10 V；VS=1．8 V；Idss=0．6 A，则R=22．8 Ω。

　　(2)输出端匹配的确定

　　只有正确的优化输出电路，才能得到最大的输出功率，为了得到准确的R，输出匹配电路应包含管子的封装参数，其中包括管子CDS和漏极、源极所有寄生元件，并建立输出电路仿真模型。从引言中我们知道从功率管的小信号S参数中可以取得封装功率管的寄生元件。在软件中建立模型的时候，这些封装参数都需要用电路元件替代。建立好的功率管的输出电路模型如图l所示。

　　想要得到最大的输出功率，必须对管子的匹配电路进行优化，应先把管子的封装寄生元件确定。使用测量和EM仿真对于一般设计者来说是比较困难，因此采用从小信号S参数中提取的方法。通常这些寄生的元件可模拟成串联在栅极、漏极和源极的电感、电阻电路。该仿真模型的电原理图使用Agilent公司的ADS软件建立并分析。用ADS软件的优化功能调整改模型的S参数，使其和器件给定的小信号S参数基本相同，这样就可以使用得到该管子比较准确的寄生元件的数值。

　　2．2 输入端匹配的确定

　　除了对输出端进行匹配外，还需要对输入端进行匹配，输入端的匹配可以提高管子的增益，并且对输出功率影响较小。采用常用的二段阻抗变换线作为输入匹配电路，同时采用共扼匹配可以得到较高的增益，在仿真过程中要考虑尺寸突变带来的电磁影响。

　　2．3 整个电路的仿真优化

　　在对整个电路进行优化设计时，重要的一点就是原来的功率管必须使用前面拟真出来的的S参数文件代替，拟真出的S参数文件的模型是一个两端口元件，输入、输出匹配电路分别接到这个两端口元件的两端。输入匹配电路将50 Ω的源阻抗变换后匹配到功率管的栅极，输出匹配电路将漏极的输出阻抗匹配后变换为50 Ω的负载阻抗。同时匹配电路的分布参数也对频率有影响，因此合适的匹配电路就是能在需要的频率和带宽内使管子输出最大的功率，并且具有较高的增益。整个仿真图见图2。

　　3 结束语

　　通过实际制作出功率放大器，测得功率放大器的增益为11．5 dB，1 dB压缩点输出功率为32．3 dBm。根据FLLl77ME给的资料P1dB典型值为32．5 dBm，G1dB典型值为12．5 dB。由此可以看出匹配电路基本达到了资料给的数值。本电路是按照最佳输出功率匹配的，所以输出功率较大，但是增益有所降低。由测试结果可以看出，本放大器制作还是比较成功的。小信号设计技术主要是简单易用，不需要专业的仪器和复杂的建模，比较合适制作饱和功放。在线性功放制作时由于不能对线性指标(比如P1dB)等进行直接计算，可能导致结果有偏差，因此设计者还需要依靠调试或者经验进行进一步的修正。