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2～18GHz微波宽带限幅放大器
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2～18GHz微波宽带限幅放大器
郭文椹 表明文 李永 程显平
（河北半导体研究所，石家庄 050051）
摘要 采用CAD技术，应用GaAs HEMT管芯及良好的微组装工艺，研制出2～18GHz微波宽带限幅放大器。基片为氧化铝材料，尺寸0．25mm×2mm×10mm，自制超微带阻容元件，一并装在很小的铜载体上。经试验调试得到以下结果：f：2～18GHz，Pout：30～50mW，Gp≥60dB，Fn≤5dB，VSWR1≤2．5，VSWR2≤2．5。关键词 微波 限幅放大器
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Guo Wenren，Biao Mingwen，LiYong，Cheng Xianping
Keywords Microwave Limiting amplifier
1 工作原理
2～18GHz放大器属于几个倍频程的放大器，对于这种频率高、频带宽的放大器，用常规的设计理论和方法已不再适用，如我们常规采用的单端电路、反馈电路以及平衡电路均很难实现2～18GHz频段。
分布放大器的特点是：较宽的频带；单级中含有几个器件；良好的输入输出匹配；相对较宽的频带而言，较好的噪声系数。分布放大器噪声设计公式为：
2～18GHz放大器属于行波放大器，其基本原理是把微波管的输入、输出电容和输入输出电阻分别吸收到输入输出传输线中，由多条传输线和多支晶体管构成分布式有损传输线。只要传输线负载和传输线特性阻抗匹配，它就相当于无频率限制的有损均匀传输线，使微波以行波方式在传输线中传播。此外，如果设计合理，使输入传输线和输出传输线传播相位一致，就能使微波传输过程中由微波管逐次放大，从而构成理论上没有频率限制的微波放大器。这就是实现超宽带的原理。
所谓限幅放大器，就是当输入信号足够小时，放大是线性的；当输入信号足够大时，放大器将输出信号限制在一定范围内。要实现这一目的，一般有两种措施：①放大器末级使用双栅晶体管；②末级使用一般器件，调整平坦度，设定工作点，限定输出电平。我们采用的后者。
2 设 计
为了更好的设计课题，我们必须掌握一些与行波放大器有关的基本关系。
截止频率：Fc＝［π（LgG）1／2］－1＝［π（Ld×Cd）1／2］－1
特性阻抗：Z＝（Lg／Cg）1／2＝（Ld／Cd）1／2强有力的分析和最佳化的CAD工具，考虑HEMT的寄生参数，最终得到电路数据。所有的电路元件包括在最佳的程序内，最佳目标是选择在2～16GHz内低VSWR及平坦的Ga。
跨导：Gm＝Gmo（1－Vgs／Vd）－1／2 栅极电容：Cgs＝Cgso（1－Vgs／Vb）－1／2 放大器增益带宽性能依赖于HEMT性能，基本上是指Gm，Cgs，Rds和Rg。在设计2～18GHz超宽带分布放大器单级时，我们采用先进的计算机辅助设计（CAD），其软件程序是"EESOF""touchstone"。CAD技术为我们研制工作带来极大的帮助，原始设计和实验修正均由CAD完成。下面给出2～18GHz两管单级分布放大器（图1）设计过程梗概：
CKT
MSUB ER＝9．9 H＝0．25 T＝0．003 KHO＝1 RGH＝0
MLOC 1 W＃0．02 0．1 0．1 L＃0．5 1 2 WIRE 1 2 D＝0．025 L＃0．1 0．12 0．5 RHO＝1
WIRE 2 3 D＝0．025 L＾LN RHO＝1 WIRE 3 4 D＝0．025 L＾LN RHO＝1WIRE 6 7 D＝0．025 L＃0．1 0．6 1 RHO＝1RES4 0 R＃15 24 100RES9 0 R＃30 30 55MLIN 8 9 W＝0．25 L＃1 2 9S2PA 2 5 0 HEMT13S2PA 3 6 0 HEMT13
MLSC9 W＃0．04 0．04 1 L＃0．2 1．2 1DEF29 1 7 AMP OPTAMPDB［S21］＝10AMPVSWR1＜2．5AMPVSWR2＜2．5
下面给出设计结果：
FREQ－GHZ DB［S21］ VSWR1 VSWR2
～18GHz Broad┐Band Microwave Limiting Amplifier （Hebei Semiconductor Research Institute，Shijiazhuang 050051）
Abstract Through carefully CADand high levelmini－assembly process，the 2～18GHzbroad－band microwave limiting amplifier is fabricated on a 0．25mm×2mm×10mmAl2O3 substrate with copper carrier，using GaAs HEMTchips and self－made mini－resis－tance and capacitance elements．The finalresults are：f 2～18GHz，Pout 30～50mW，Gp≥60dB，Fn≤5dB，VSWR1≤2．5，VSWR2≤2．5．Keywords Microwave Limiting amplifier
1 工作原理
2～18GHz放大器属于几个倍频程的放大器，对于这种频率高、频带宽的放大器，用常规的设计理论和方法已不再适用，如我们常规采用的单端电路、反馈电路以及平衡电路均很难实现2～18GHz频段。
分布放大器的特点是：较宽的频带；单级中含有几个器件；良好的输入输出匹配；相对较宽的频带而言，较好的噪声系数。分布放大器噪声设计公式为：
Fmin≈1＋2Rn（Ggt／n－Gcor）＋［Rn（Ggt／n＋Gn）＋Rn2（Ggt／n＋G）2］1／2
式中，Rn为器件的噪声电阻；n为一级中的管芯数目；Ggt，Gn，Gcor均为电纳。
对于多倍频程超宽带微波放大器来讲，采用分布法是最好的选择，因为分布放大器一般有较低的VSWR和较高的Gp。采用分布放大器可设计多级高增益、低噪声放大器，噪声系数还可通过栅偏压的最佳化来降低。
多管芯单级分布放大器，制作难度较大，成品率低，但它的动态范围较大，可用于末级以提高输出功率。有源器件的选择原则是：器件S21的模值尽量大，并且在2～18GHz范围内尽
量平坦。依据上面分析过的几种器件性能，我们选用了高电子迁移率晶体管。放大器的微波
直流电原理图如图1所示。
2～18GHz放大器属于行波放大器，其基本原理是把微波管的输入、输出电容和输入输出电阻分别吸收到输入输出传输线中，由多条传输线和多支晶体管构成分布式有损传输线。只要传输线负载和传输线特性阻抗匹配，它就相当于无频率限制的有损均匀传输线，使微波以行波方式在传输线中传播。此外，如果设计合理，使输入传输线和输出传输线传播相位一致，就能使微波传输过程中由微波管逐次放大，从而构成理论上没有频率限制的微波放大器。这就是实现超宽带的原理。
所谓限幅放大器，就是当输入信号足够小时，放大是线性的；当输入信号足够大时，放大器将输出信号限制在一定范围内。要实现这一目的，一般有两种措施：①放大器末级使用双栅晶体管；②末级使用一般器件，调整平坦度，设定工作点，限定输出电平。我们采用的后者。
2 设 计
为了更好的设计课题，我们必须掌握一些与行波放大器有关的基本关系。
截止频率：Fc＝［π（LgG）1／2］－1＝［π（Ld×Cd）1／2］－1
特性阻抗：Z＝（Lg／Cg）1／2＝（Ld／Cd）1／2强有力的分析和最佳化的CAD工具，考虑HEMT的寄生参数，最终得到电路数据。所有的电路元件包括在最佳的程序内，最佳目标是选择在2～16GHz内低VSWR及平坦的Ga。
跨导：Gm＝Gmo（1－Vgs／Vd）－1／2 栅极电容：Cgs＝Cgso（1－Vgs／Vb）－1／2 放大器增益带宽性能依赖于HEMT性能，基本上是指Gm，Cgs，Rds和Rg。在设计2～18GHz超宽带分布放大器单级时，我们采用先进的计算机辅助设计（CAD），其软件程序是"EESOF""touchstone"。CAD技术为我们研制工作带来极大的帮助，原始设计和实验修正均由CAD完成。下面给出2～18GHz两管单级分布放大器（图1）设计过程梗概：
CKT
MSUB ER＝9．9 H＝0．25 T＝0．003 KHO＝1 RGH＝0
MLOC 1 W＃0．02 0．1 0．1 L＃0．5 1 2 WIRE 1 2 D＝0．025 L＃0．1 0．12 0．5 RHO＝1
WIRE 2 3 D＝0．025 L＾LN RHO＝1 WIRE 3 4 D＝0．025 L＾LN RHO＝1WIRE 6 7 D＝0．025 L＃0．1 0．6 1 RHO＝1RES4 0 R＃15 24 100RES9 0 R＃30 30 55MLIN 8 9 W＝0．25 L＃1 2 9S2PA 2 5 0 HEMT13S2PA 3 6 0 HEMT13
MLSC9 W＃0．04 0．04 1 L＃0．2 1．2 1DEF29 1 7 AMP OPTAMPDB［S21］＝10AMPVSWR1＜2．5AMPVSWR2＜2．5
下面给出设计结果：
FREQ－GHZ DB［S21］ VSWR1 VSWR2
2．00000 10．065 2．047 2．132
4．00000 10．196 1．971 1．742
6．00000 10．438 1．972 1．975
8．00000 10．612 2．088 2．205
10．0000 10．627 2．303 2．369
12．0000 10．516 2．477 2．476
14．0000 10．407 2．414 2．475
16．0000 10．691 1．950 2．337
18．0000 12．201 1．585 1．820
3 研制过程
3．1 元件装配
2～18GHz宽频带限幅放大器的增益指标为Gp≥60dB，采用混合电路，基片是厚为0．250mm氧化铝衬底。前七级每级有两个HEMT组成，装在很小的黄铜镀金载体上，载体的尺寸为2．5mm×4．6mm×15mm，其脊梁宽度为0．5mm，有源器件装在脊梁上，这样源器件的源极接地更近更好。关于源接地问题我们开设了专题研究达到最好的微波接地效果。电路基片上所需的超小型微带电阻、电容元件均由我们本室自行研制，电阻尺寸为0．3mm×0．3mm×0．15mm，电容尺寸为0．3mm×0．3mm×0．1mm，电感元件均由直径为0．025mm金丝键合而成。
微波电路安装时元件与元件的一致性由刻制在版图上的定位标记和瓷片、载体的精度来保证。这些先进的微波电路制造技术和先进的CAD手段一样重要。然而因某些因素，如元件值的偏差、有源器件的离散性等等，电路也许需要做一些调整，比如栅偏压Vgs的最佳化就是一种手段，它能使噪声达到最佳化和增益平坦度的最佳化。还有版图有一些供调节用元件也很方便。另外，偏置电路也是不可忽视的单元，偏置电路必须防止频率低端不理想的振荡发生，以保证带内外的频率响应。图1中栅偏压是通过栅电路负载Rg供给的，这样可以消除不理想的栅电路振荡。对于本课题的混合放大器，漏极是在每一级的Rf输出上，通过两三个低通元件电路供电的。这个电路对于2～18GHz来讲，设计是高阻值的。0．5GHz以下信号可以入地。这些都是为了防止一些潜在的振荡因素。输出匹配线同时也是漏压线。电路是由电容、电感和电阻组成的。
3．2 高增益限幅放大器的测试
高增益频宽带限幅放大器的测试与一般放大器（Gp＜40dB）不同，增益高达60dB，用常规的测试方法测试增益时带内（2～18GHz）和带外很难拉开纵向距离，这是仪器的灵敏度和本底噪声决定的。经研究和实验我们找到了适当的办法：在"5447"的检波器前串接20dB的固定衰减器，大信号（0dBm）校准，之后将输入信号降低至－60dBm进行测量，实读增益加上＋60dB方可。这样带内和带外增益线纵向拉开了距离，符合常规的视觉。
4 研制结果
经过合理的设计和较先进的工艺制造手段研制2～18GHz宽频带分布式限幅放大器。下面给出一组测试数据，其高端可达18GHz。
f：2～18GHz Pout：30～50mWGp：≥60B VSWR1：≤2．5 Fn：≤5dB VSWR2：≤2．5
5 结 语
本课题采用CAD技术，设计并研制出2～18GHz超宽带限幅放大器。另外，在测试方法上也做了一些研究工作，得出了切实可行的测量方法，这对以后的工作非常有利。采用行波电路可将频带做到0．5～20GHz，甚至更宽。
郭文椹 男，1982年1月毕业于天津南开大学物理系。高级工程师。常期从事微波宽带、超宽带放大器、毫米波放大器的研究工作，先后设计定型了12项产品。获部级科技进步二等奖2次，三等奖2次。在全国性刊物上发表论文8篇。
收稿日期：1999－12－13
