微波功率晶体管放大器匹配电路的设计
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[ 2]
是不同的。这样, 从微带线上的某一
点转换到另一点时 , 其导纳值随波长的变换轨迹会 有不同, 也就是说, 当接入一段微带线后 , 其频带的 高端和低端将得到不同程度的伸长和压缩。宽带匹 配的目的就是使导纳轨迹线变换到密集于圆图的中 结合 ADS 优化
[ 3]
的方法能在
较宽的工作频带内实现匹配。通过多节并联导纳匹
图 1 多节并联导纳匹配法匹配示意图
加入四个优化目标控件。分别以 f = 3 . 1GH z和 f = 3. 4GH z 时的 晶体管阻 抗实部和 虚部为优 化变 量, 使计算得到的匹配电路阻抗与晶体管阻抗共轭。 配置 各优化目标控件的参数 , 如表 2 所示。其 中, Expr是优化目标表达式; M ax 和 M in 分别是优化目 标可以接受的最大值和最小值 ; Range Var[ 1] 是变 量名称, Range M in [ 1] 、 R ange M ax [ 1] 是其变化范围。 优化后的阻抗见图 4。同时 , 可以计算出晶体管输 出端的驻波系数, 如图 5 所示。
sistor a m plifie r . The key is the association procedure o f mu lti para lle l adm ittances m atch ing and ADS s i m u lation. It is illus trated by the ana lys is and computation of ou tput m atch ing fo r the S band pow er transisto r a m plifier . The experi m ent resu lts show that the ou tput pow er and e fficient are better than the typical ones g iven in the handbook. K ey word s : M icrow av e transistor a m plifier , M a tch, M u lti paralle l adm ittances m atch ing
f Expr M ax M in
R angeV ar[ 1] R angem in [ 1] R angem ax[ 1 ]
3. 1GH z re( Z in) 7 5. 5 freq 3. 1 3. 1
3. 1GH z m ag( Z in) i -8 - 10 freq 3. 1 3. 1
3. 4GH z re( Z in) 3 4 freq 3. 4 3. 4
2 AD S优化设计
将上面得到的匹配电路用 ADS( Advanced D e sign syste m )软件 进行仿真, 并 对其参数进行优 化。 如图 3 所示。步骤 : 1)在原理图中加入 OPT I M 控件。 先用 random 进行初步优化, 再用 Gradient进行 局部优化。
6. 1+ j9. 2 5+ j8 . 2 4 . 1+ j7 3. 6+ j5. 6
引
言
随着半导体技术的迅速发展, 微波晶体管放大
配法得出宽带匹配电路的初值后, 再利用 ADS 软件 进行仿真优化参数 , 减少了调试成本、 缩短了设计周 期, 在宽带内实现阻抗匹配取得了较好的效果。
器在提高工作频率和增大输出功率等方面都取得了 很大的进展。但随着晶体管工作频率和输出功率的 提高, 其输入 /输 出阻抗实部会非常低 , 并具有相当 的电抗
第 25 卷第 5 期 2009年 10 月 文章编号 : 1005 6122( 2009) 05 0067 03
Βιβλιοθήκη Baidu
微
波
学
报
JOURNAL OF M ICRO W AVES
Vo. l 25 N o . 5 O ct . 2009
微波功率晶体管放大器匹配电路的设计
郭潇菲 刘凤莲 王传敏
( 北京微电子技术研 究所 , 北京 100076) 摘 要:
3 版图实现
在实际应用中, 单端非平衡的短截线 (开路线、 短路线 ) 常被平衡型设计方案 取代, 上面电路转化 [ 5] 为图 6 所示的电路形式 。
5 结束语
从以上内容分析得知, S 波段 功率晶体管放大 器输出电路阻抗匹配较好, 端口驻波比也比较理想。 因此 , 用多节导纳阻抗匹配法结合 ADS 优化设计微 波功率管宽带匹配电路是一种实用的设计方法。 参 考 文 献
[ 1]
1 设计过程
多节并联导纳匹配法的特点是将每个工作频点 对应的导纳值标在导纳圆图上, 并按频率由高到低 的顺序将相应的导纳值连成一条曲线 , 设计时就是 根据此曲线的形状考虑如何采用多个并联电纳, 以 实现宽频带内达成共轭匹配的目的。假设并联电纳 的接入点离晶体管所在位置的距离为 l, 那么在各个 不同频率时的晶体管输入 ( 或输出 ) 导纳值 , 沿着各 自的等驻波系数圆转换到并联导纳的接入点所旋转 的波长数 l /
3. 4GH z m ag( Z in) i -4 -6 freq 3. 4 3. 4
第 25 卷第 5 期
郭潇菲等 : 微波功率晶体管放大器匹配电路的设计
69
图 4
S 波段晶体管输出匹配电路阻抗
图 7 S 波段微波晶体管输出匹配电路版图
4 测试结果
根据本文方法, 设计并制作了雷达脉冲功率晶 体管放大测试电路, 在工作电压 36V, 输入功率 9 . 8 W 的脉冲信号条件下, 测试结果见图 8 、 图 9 , 从图 中看出, 测试结果优于晶体管手册中给出的典型值。
收稿日期 : 2008 12 08
*
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微
波
学
报
[ 4]
2009 年 10 月
心点, 亦即在指定频带内 , 每点导纳 值都接近匹配 点。 下面以设计一个 S 波段功率晶体管放大器的输 出匹配电路为例 , 来说明这种方法的设计过程。晶 体管各频点的阻抗见表 1所示。
表 1 f ( GH z) 3 . 1 3 . 2 3 . 3 3 . 4 S波段晶体管输出阻抗 Z in ( )
图 5 S 波段晶体管输出端驻波系数
由图看出, 驻波比在 1 . 12 1. 22 之间 , 匹配效果 很好。在原理图界面 , si m ulate 下拉菜单中选择 up date opti m izat ion va lu es 。 这时各微带线的长度和宽 度见变量 VAR 所示。
图 8 放 大器输出功率曲线 图 9 放大器集电 极效率
表 2 优化目标控件参数配置表
图 2 S 波段微波功率晶体管输出匹配电路形式
这时再使各频点沿着各自的等驻波系数圆向信 号源方向移动到单位电导圆附近, 如图 1 中曲线 3 所示。最后再并联一段开路线 , 即可移到匹配点附 近 , 如图 1中曲线 4 所示。 图 2 中所标的数据可以从 sm ith 圆图中读出。
*
对微波功率晶体管放大器的 阻抗匹配 电路提 出了一 种有效 且简便 的设计 方法。着重 分析了 多节并
联导纳匹配与 ADS 软件仿真相结合的设计方法的全 过程 , 并对 S 波段功率 晶体管的 输出匹配 电路进 行了分 析和计 算 , 取得了较好的效果。根据本文方法 , 制作了某 功率晶体 管的放 大测试 电路并 进行测 试 , 其 输出功 率及效 率均优 于晶体管手册给 出的典型值。 关键词 : 微波功率晶体管放大器 , 匹配 , 多节并联导纳匹配法
晶体管导纳如图 1 中曲线 1 所示。H 、 L 分别代 表频带高端、 低端对应的晶体管导纳值。在晶体管 输出端就近并联一段开路线 , 使输出导纳的轨迹线 沿等电导圆移动 , 此时频带高低端导纳的相对变化 值是不同的 , 如图 1中曲线 2 所示。
图 3 用 A DS 对输出匹配电路进行仿真及优化
选择迭代次数时, 先使用默认 值 25 , 可以根据 优化情况进行调整。仿真一次结束后, 观察 hpeeso f si m 框中的数据, 如果 迭代了 25 次 , CurrentE F 0 , 并且迭代过 程中 CurrentEF 的值变化显著 , 就增加 迭代次 数。 如果 CurrentE F 0 , 并 且 迭 代过 程 中 CurrentE F的值变化很小 , 就没必要增加迭 代次数, 应该修改其他参数设置来得到好的优化结果。 2)加入优化目标 GOAL 控件。
Design of M icrowave Pow er Transistor Amplifier sM atch C ircuit
GUO X iao fe, i L IU Feng lian , W ANG Chuan m in (B eijing M icroelectronics T echnology Institute, BeiJ ing 100076, China ) Abstract : A n effective and convenien tm ethod is proposed to design the i m pedance m atch c ircuit of m icrowave tran
郭潇菲
1978 年生 , 工程 师 , 2005 年于西 安电 子科 技大学
获硕士学位。目前从事微 波功率 器件和 微波电 路的 研制工 作。 E m a i: l H elen_gx @ f yahoo . com. cn
刘凤莲
1975 年生 , 高工。从事微波 功率器件和 微波电路
的研制工作。
王传敏 1971年生, 研究员。从事半导体器件及工艺方面的工作。
g
, 在实际应用中 , 这些低阻 抗需要与系统
特性阻抗 ( 一般为 50 ) 相匹配 , 并有足够的带宽。 因此, 在源和负载之间需要设计和制作一个宽带、 高 变比的无源网络 , 使晶体管的实部得以提高, 虚部尽 量减小 , 这样既可减小输入端的反射功率 , 又能增大 器件的输出功率 , 这样不仅提高了功率增益和集电 极效率 , 也增加了功率管在整个频带内的稳定性, 充 分发挥微波功率晶体管的性能 , 这种无源网络被称 为微波匹配电路。 设计微波匹配电路的方法有很多 , 本文介绍的 多节并联导纳匹配
! 1∀ 高葆新 , 胡南山 , 洪兴楠等 编 . 微 波集成电路 [M ] . 北 京 : 国防工业出版 社 , 1995 . 212 231 ! 2∀ 郑新 , 李文辉 , 潘厚忠等编 . 雷达 发射机技术 [M ] . 北 京 : 电子工业出版 社 , 2008 . 127 148 ! 3∀ 杨贤松 . 用 ADS 进 行宽带 微波功 放的仿 真设 计 [ J]. 通信对抗 , 2006, 1: 55 57 ! 4∀ A g ilent techno log ies . Advanced D esign System Do cum en ta tion[ OL ]. www. A g ilent . co m, 2003 ! 5∀ R e inho ld Ludw ig , P ave l Bretchko著 , 王子 宇等译 . 射频 电路设计 - 理论与应用 [M ]. 北京 : 电子工业出 版社 , 2003 . 288 294 ! 6∀ 蒋拥军 , 潘厚 忠 . S 波段 超宽带 固态 功率放 大器 的研 制 [ J]. 微波学报 , 2005, 4: 101- 103 ! 7∀ Stephen A M aas . N onlinear M icrowave and RF c ircu its . A rtech H ouse , 2003
图 6 平衡短截线匹配网络
开路平衡短截线的长度 lSB = 2 arctan 2tan 2 ls
ls是开路短截线的长度, lSB 是开路平衡短截线的长 度。实际尺寸还需要对微带线不连续性和终端开路 效应进行修正。利用 ADS 中 tune 功能进行修正非 常方便。调整开路线长度 , 直到阻抗值接近晶体管 输出阻抗的共轭 , 然后点击 Tune Contro l对话框的 update 。这时 各微 带线 的尺寸 见变 量 VAR 所示。 阻抗及晶体管输出端驻波系数与图 4、 图 5 基本一 致。转化为版图见图 7 。
是不同的。这样, 从微带线上的某一
点转换到另一点时 , 其导纳值随波长的变换轨迹会 有不同, 也就是说, 当接入一段微带线后 , 其频带的 高端和低端将得到不同程度的伸长和压缩。宽带匹 配的目的就是使导纳轨迹线变换到密集于圆图的中 结合 ADS 优化
[ 3]
的方法能在
较宽的工作频带内实现匹配。通过多节并联导纳匹
图 1 多节并联导纳匹配法匹配示意图
加入四个优化目标控件。分别以 f = 3 . 1GH z和 f = 3. 4GH z 时的 晶体管阻 抗实部和 虚部为优 化变 量, 使计算得到的匹配电路阻抗与晶体管阻抗共轭。 配置 各优化目标控件的参数 , 如表 2 所示。其 中, Expr是优化目标表达式; M ax 和 M in 分别是优化目 标可以接受的最大值和最小值 ; Range Var[ 1] 是变 量名称, Range M in [ 1] 、 R ange M ax [ 1] 是其变化范围。 优化后的阻抗见图 4。同时 , 可以计算出晶体管输 出端的驻波系数, 如图 5 所示。
sistor a m plifie r . The key is the association procedure o f mu lti para lle l adm ittances m atch ing and ADS s i m u lation. It is illus trated by the ana lys is and computation of ou tput m atch ing fo r the S band pow er transisto r a m plifier . The experi m ent resu lts show that the ou tput pow er and e fficient are better than the typical ones g iven in the handbook. K ey word s : M icrow av e transistor a m plifier , M a tch, M u lti paralle l adm ittances m atch ing
f Expr M ax M in
R angeV ar[ 1] R angem in [ 1] R angem ax[ 1 ]
3. 1GH z re( Z in) 7 5. 5 freq 3. 1 3. 1
3. 1GH z m ag( Z in) i -8 - 10 freq 3. 1 3. 1
3. 4GH z re( Z in) 3 4 freq 3. 4 3. 4
2 AD S优化设计
将上面得到的匹配电路用 ADS( Advanced D e sign syste m )软件 进行仿真, 并 对其参数进行优 化。 如图 3 所示。步骤 : 1)在原理图中加入 OPT I M 控件。 先用 random 进行初步优化, 再用 Gradient进行 局部优化。
6. 1+ j9. 2 5+ j8 . 2 4 . 1+ j7 3. 6+ j5. 6
引
言
随着半导体技术的迅速发展, 微波晶体管放大
配法得出宽带匹配电路的初值后, 再利用 ADS 软件 进行仿真优化参数 , 减少了调试成本、 缩短了设计周 期, 在宽带内实现阻抗匹配取得了较好的效果。
器在提高工作频率和增大输出功率等方面都取得了 很大的进展。但随着晶体管工作频率和输出功率的 提高, 其输入 /输 出阻抗实部会非常低 , 并具有相当 的电抗
第 25 卷第 5 期 2009年 10 月 文章编号 : 1005 6122( 2009) 05 0067 03
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微
波
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报
JOURNAL OF M ICRO W AVES
Vo. l 25 N o . 5 O ct . 2009
微波功率晶体管放大器匹配电路的设计
郭潇菲 刘凤莲 王传敏
( 北京微电子技术研 究所 , 北京 100076) 摘 要:
3 版图实现
在实际应用中, 单端非平衡的短截线 (开路线、 短路线 ) 常被平衡型设计方案 取代, 上面电路转化 [ 5] 为图 6 所示的电路形式 。
5 结束语
从以上内容分析得知, S 波段 功率晶体管放大 器输出电路阻抗匹配较好, 端口驻波比也比较理想。 因此 , 用多节导纳阻抗匹配法结合 ADS 优化设计微 波功率管宽带匹配电路是一种实用的设计方法。 参 考 文 献
[ 1]
1 设计过程
多节并联导纳匹配法的特点是将每个工作频点 对应的导纳值标在导纳圆图上, 并按频率由高到低 的顺序将相应的导纳值连成一条曲线 , 设计时就是 根据此曲线的形状考虑如何采用多个并联电纳, 以 实现宽频带内达成共轭匹配的目的。假设并联电纳 的接入点离晶体管所在位置的距离为 l, 那么在各个 不同频率时的晶体管输入 ( 或输出 ) 导纳值 , 沿着各 自的等驻波系数圆转换到并联导纳的接入点所旋转 的波长数 l /
3. 4GH z m ag( Z in) i -4 -6 freq 3. 4 3. 4
第 25 卷第 5 期
郭潇菲等 : 微波功率晶体管放大器匹配电路的设计
69
图 4
S 波段晶体管输出匹配电路阻抗
图 7 S 波段微波晶体管输出匹配电路版图
4 测试结果
根据本文方法, 设计并制作了雷达脉冲功率晶 体管放大测试电路, 在工作电压 36V, 输入功率 9 . 8 W 的脉冲信号条件下, 测试结果见图 8 、 图 9 , 从图 中看出, 测试结果优于晶体管手册中给出的典型值。
收稿日期 : 2008 12 08
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2009 年 10 月
心点, 亦即在指定频带内 , 每点导纳 值都接近匹配 点。 下面以设计一个 S 波段功率晶体管放大器的输 出匹配电路为例 , 来说明这种方法的设计过程。晶 体管各频点的阻抗见表 1所示。
表 1 f ( GH z) 3 . 1 3 . 2 3 . 3 3 . 4 S波段晶体管输出阻抗 Z in ( )
图 5 S 波段晶体管输出端驻波系数
由图看出, 驻波比在 1 . 12 1. 22 之间 , 匹配效果 很好。在原理图界面 , si m ulate 下拉菜单中选择 up date opti m izat ion va lu es 。 这时各微带线的长度和宽 度见变量 VAR 所示。
图 8 放 大器输出功率曲线 图 9 放大器集电 极效率
表 2 优化目标控件参数配置表
图 2 S 波段微波功率晶体管输出匹配电路形式
这时再使各频点沿着各自的等驻波系数圆向信 号源方向移动到单位电导圆附近, 如图 1 中曲线 3 所示。最后再并联一段开路线 , 即可移到匹配点附 近 , 如图 1中曲线 4 所示。 图 2 中所标的数据可以从 sm ith 圆图中读出。
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对微波功率晶体管放大器的 阻抗匹配 电路提 出了一 种有效 且简便 的设计 方法。着重 分析了 多节并
联导纳匹配与 ADS 软件仿真相结合的设计方法的全 过程 , 并对 S 波段功率 晶体管的 输出匹配 电路进 行了分 析和计 算 , 取得了较好的效果。根据本文方法 , 制作了某 功率晶体 管的放 大测试 电路并 进行测 试 , 其 输出功 率及效 率均优 于晶体管手册给 出的典型值。 关键词 : 微波功率晶体管放大器 , 匹配 , 多节并联导纳匹配法
晶体管导纳如图 1 中曲线 1 所示。H 、 L 分别代 表频带高端、 低端对应的晶体管导纳值。在晶体管 输出端就近并联一段开路线 , 使输出导纳的轨迹线 沿等电导圆移动 , 此时频带高低端导纳的相对变化 值是不同的 , 如图 1中曲线 2 所示。
图 3 用 A DS 对输出匹配电路进行仿真及优化
选择迭代次数时, 先使用默认 值 25 , 可以根据 优化情况进行调整。仿真一次结束后, 观察 hpeeso f si m 框中的数据, 如果 迭代了 25 次 , CurrentE F 0 , 并且迭代过 程中 CurrentEF 的值变化显著 , 就增加 迭代次 数。 如果 CurrentE F 0 , 并 且 迭 代过 程 中 CurrentE F的值变化很小 , 就没必要增加迭 代次数, 应该修改其他参数设置来得到好的优化结果。 2)加入优化目标 GOAL 控件。
Design of M icrowave Pow er Transistor Amplifier sM atch C ircuit
GUO X iao fe, i L IU Feng lian , W ANG Chuan m in (B eijing M icroelectronics T echnology Institute, BeiJ ing 100076, China ) Abstract : A n effective and convenien tm ethod is proposed to design the i m pedance m atch c ircuit of m icrowave tran
郭潇菲
1978 年生 , 工程 师 , 2005 年于西 安电 子科 技大学
获硕士学位。目前从事微 波功率 器件和 微波电 路的 研制工 作。 E m a i: l H elen_gx @ f yahoo . com. cn
刘凤莲
1975 年生 , 高工。从事微波 功率器件和 微波电路
的研制工作。
王传敏 1971年生, 研究员。从事半导体器件及工艺方面的工作。
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, 在实际应用中 , 这些低阻 抗需要与系统
特性阻抗 ( 一般为 50 ) 相匹配 , 并有足够的带宽。 因此, 在源和负载之间需要设计和制作一个宽带、 高 变比的无源网络 , 使晶体管的实部得以提高, 虚部尽 量减小 , 这样既可减小输入端的反射功率 , 又能增大 器件的输出功率 , 这样不仅提高了功率增益和集电 极效率 , 也增加了功率管在整个频带内的稳定性, 充 分发挥微波功率晶体管的性能 , 这种无源网络被称 为微波匹配电路。 设计微波匹配电路的方法有很多 , 本文介绍的 多节并联导纳匹配
! 1∀ 高葆新 , 胡南山 , 洪兴楠等 编 . 微 波集成电路 [M ] . 北 京 : 国防工业出版 社 , 1995 . 212 231 ! 2∀ 郑新 , 李文辉 , 潘厚忠等编 . 雷达 发射机技术 [M ] . 北 京 : 电子工业出版 社 , 2008 . 127 148 ! 3∀ 杨贤松 . 用 ADS 进 行宽带 微波功 放的仿 真设 计 [ J]. 通信对抗 , 2006, 1: 55 57 ! 4∀ A g ilent techno log ies . Advanced D esign System Do cum en ta tion[ OL ]. www. A g ilent . co m, 2003 ! 5∀ R e inho ld Ludw ig , P ave l Bretchko著 , 王子 宇等译 . 射频 电路设计 - 理论与应用 [M ]. 北京 : 电子工业出 版社 , 2003 . 288 294 ! 6∀ 蒋拥军 , 潘厚 忠 . S 波段 超宽带 固态 功率放 大器 的研 制 [ J]. 微波学报 , 2005, 4: 101- 103 ! 7∀ Stephen A M aas . N onlinear M icrowave and RF c ircu its . A rtech H ouse , 2003
图 6 平衡短截线匹配网络
开路平衡短截线的长度 lSB = 2 arctan 2tan 2 ls
ls是开路短截线的长度, lSB 是开路平衡短截线的长 度。实际尺寸还需要对微带线不连续性和终端开路 效应进行修正。利用 ADS 中 tune 功能进行修正非 常方便。调整开路线长度 , 直到阻抗值接近晶体管 输出阻抗的共轭 , 然后点击 Tune Contro l对话框的 update 。这时 各微 带线 的尺寸 见变 量 VAR 所示。 阻抗及晶体管输出端驻波系数与图 4、 图 5 基本一 致。转化为版图见图 7 。