1.3.3 源牽引與負(fù)載牽引分析

　　源牽引/負(fù)載牽引分析方法原理：放大器在大信號電平激勵下，通過連續(xù)變換源阻抗/負(fù)載阻抗對功率管進(jìn)行分析，然后在Smith阻抗圓圖上畫出等功率曲線和等增益曲線，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇出最佳源阻抗/最佳負(fù)載阻抗準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出滿足要求的功率放大器。

　　分析中選取中心頻率f=2.35 GHz。為準(zhǔn)確獲取功率管的最佳源阻抗ZS和最佳輸出阻抗ZL，分析過程中遵循效率優(yōu)先的策略，并采取如下步驟：

　　首先，假定ZS(O)=10 Ω進(jìn)行負(fù)載牽引分析獲得ZL(1);然后，根據(jù)ZL(1)進(jìn)行源牽引分析獲得ZS(1);再根據(jù)ZS(1)進(jìn)行負(fù)載牽引分析得到ZL(2)，…。重復(fù)進(jìn)行源牽引分析與負(fù)載牽引分析，直至前后兩次得到的負(fù)載阻抗ZL相等或者相差很小為止。

　　圖4為進(jìn)行源牽引分析和負(fù)載牽引分析得到的功率管輸出功率、附加效率(Power Added Efficiency，PAE)等高線圖。圖4中，功率管的附加效率定義為：

　　式中：POUT，PIN和PDC分別為放大器輸出功率、輸入功率和電源消耗功率;ηPAE代表功率附加效率。

　　從圖4中可以讀出功率放大器的最佳源阻抗與最佳負(fù)載阻抗分別為ZS=2.1-j6.5 Ω與ZL=13+j7.8 Ω。

　　1.3.4 匹配網(wǎng)絡(luò)、偏置電路設(shè)計(jì)

　　匹配電路主要用來進(jìn)行阻抗變換，其最終的目的是為了實(shí)現(xiàn)最大的功率傳輸。在仿真設(shè)計(jì)過程中，首先假設(shè)是在理想偏置電路的情況下利用取得的最佳源阻抗和最佳負(fù)載阻抗進(jìn)行輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，然后根據(jù)1/4λ準(zhǔn)則進(jìn)行偏置電路設(shè)計(jì)，并通過微調(diào)電路部分參數(shù)使偏置電路滿足射頻扼流的要求。在Agilent ADS軟件中，為使設(shè)計(jì)能夠準(zhǔn)確模擬真實(shí)情況，一般需要在電路設(shè)計(jì)(基于模型的)之后進(jìn)行RFMomen-tum優(yōu)化仿真。圖5為Agilent ADS軟件設(shè)計(jì)的放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與偏置電路。圖5中，微波電路基板材料選用的是Rogers公司的RT/duroid 6002板材，介電常數(shù)為2.94，厚度為O.254 mm。優(yōu)化仿真過程中發(fā)現(xiàn)：放大器的效率和帶寬是一對矛盾，當(dāng)效率提高時，帶寬變窄，反之亦然。

　　2 指標(biāo)測試

　　放大器實(shí)物如圖6所示。

　　對設(shè)計(jì)的寬禁帶功率放大器進(jìn)行了測試。測試條件是：連續(xù)波工作，漏極電壓VDS=28 V，柵極電壓VGS=-2.5 V。圖7為頻率為2.35 GHz時，放大器輸出功率、附加效率隨輸入功率的變化曲線。由測試結(jié)果可知：隨著輸入功率的增大，放大器的輸出功率近似呈線性增大，在26 dBm開始出現(xiàn)飽和;隨著輸入功率的增大，放大器附加效率增大，在27 dBm時達(dá)到最大附加效率68.5%。實(shí)驗(yàn)還在2.2～2.6 GHz頻率范圍內(nèi)(0.5 GHz為步長)測試了放大器的輸出功率和附加效率參數(shù)，測試結(jié)果如圖8所示。在2.25～2.5 GHz頻率范圍內(nèi)，放大器輸出功率在10 W以上，附加效率也超過60%。在2.3～2.4 GHz頻率范圍內(nèi)，輸出功率超過15 W，附加效率超過67 9/6，放大器滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

　　3 結(jié)語

　　利用SiC基GaN寬禁帶功率器件設(shè)計(jì)制作了S波段10 W功率放大器。試驗(yàn)測試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的放大器在2.3～2.4 GHz內(nèi)附加效率在67 9/6以上，也證實(shí)了寬禁帶器件高效率、高增益的特點(diǎn)。