如何使用GaAs工艺技术实现可变增益功率放大器MMIC的设计

　　根据电压控制增益威廉希尔官方网站 理论及放大器设计原理，设计制作了一种基于 GaAs 工艺的可变增益功率放大器单片微波集成威廉希尔官方网站 （ MMIC）。采用威廉希尔官方网站 仿真 ADS 软件进行了原理图及版图仿真，研究了增益控制威廉希尔官方网站 在放大器中的位置对性能的影响。最终实现了在 6～9GHz 频率范围内，1 dB 压缩点输出功率大于 33 dBm，当控制电压在－1～0 V 之间变化时，放大器的增益在 5～ 40dB 之间变化，增益控制范围达到了 35 dB。将功率放大器与增益控制威廉希尔官方网站 制作在同一个单片集成威廉希尔官方网站 上，面积仅为 3.5 mm×2.3 mm，具有灵活易用、集成度高和成本低的特点，可广泛应用于卫星通信和数字微波通信等领域。甚小口径终端（verysmall aperture terminal，VSAT）和数字微波通信（也称 P2P 通信）系统为商用微波无线信息传输系统，具有覆盖范围大、集成化程度高、对所有地点提供相同的业务种类和服容性好、扩容成本低、所需时间短、通信质量好和安装方便的特点。功率放大器是微波无线信息传输系统的核心元器件，其性能直接影响发射机的作用半径、线性特性以及整个系统的效率，它通常是系统中成本最高的元器件。当代微波无线信息传输系统小型化的趋势越来越明显，这就要求元器件的集成度越来越高。国外开展商用单片功率放大器研究较早，其中日本 Eudyna 公司的产品性能较佳，占领的市场份额最大，美国 Hittite 公司和 Triquint 公司也在近两年推出了相应的产品。中国在 GaAs 材料生长和器件研制方面也积极开展了相关的研究工作。由于该功率放大器应用于商用领域，所以对其性能和成本都有较高的要求，本文通过威廉希尔官方网站 设计，将常规功率放大器的功能进行扩展，增加增益控制功能，能够在实现系统小型化的同时，降低成本，同时，不会影响功率放大器的输出功率和效率等相关指标。本文采用目前制作微波单片集成威廉希尔官方网站 成熟的 GaAs 赝高电子迁移率晶体管（ pseudomorphic high electron mobility transistor，PHEMT）工艺进行多功能功率放大器的研制，其工艺稳定，成品率高，在缩短研发周期和降低成本方面具有不可替代的地位。本文研制的多功能功率放大器单片集成威廉希尔官方网站 的面积与同样指标的功率放大器面积一样，约为 8 mm2，传统室外单元的电压控制可变衰减器（voltage variable attenuator，VVA）的面积约为 1.7 mm2，可见文中的多功能功率放大器将芯片面积节省了 17.5%，有利于系统的小型化和成本的降低。

　　1 增益控制威廉希尔官方网站 的设计原理

　　增益控制威廉希尔官方网站 的作用是通过改变控制电压，达到改变放大器增益的目的。增益控制威廉希尔官方网站 在放大器中的位置至关重要，若放置于放大器的末级，会由于自身的损耗而影响输出功率，放置于中间，会使放大器的中间级因无法将末级推饱和，从而影响效率。通过以上分析，将增益控制威廉希尔官方网站 放置于放大器的第一级。增益控制威廉希尔官方网站 的原理如图 1 所示，由两个场效应晶体管（field effect transistor，FET）组成，FET1 的漏极与 FET2 的源极连接在一起，射频信号从 FET1 的栅极输入，从 FET2 的漏极输出。图 1 中：Vc 为控制电压;Vgs 为栅压;Vdd 为漏压;V1 表示两个 FET 连接点的电压;Ids 为 FET1 和 FET2 的漏极到源极的电流，图 1 中 FET1 的源极和 FET2 的漏极连接于同一节点，所以 Ids 同时流经 FET1 和 FET2。该威廉希尔官方网站 通过改变 Vc 的电压值来改变增益。

　　FET 工作在饱和区时的跨导 gm，Ids 与 Vgs 的关系如图 2 所示。FET1 的栅压 Vgs 保持不变，则源漏电阻值的变化不会很大，在工作点的阻抗约为 10Ω，由欧姆定律可知，V1 的电压值由 Ids 决定。FET2 的漏压 Vds 保持不变，Vc 变化时，FET2 的栅压相应变化，由图 2 的曲线可以看出，当栅压变化时，gm 会产生变化，FET2 的放大倍数则相应改变。同时，FET2 的栅压变化时，根据图 3，Ids 会有较大的变化。根据之前的分析，Ids 变化时，V1 的值也会相应产生较大的变化，当 V1 小于 1V 时，FET1 工作在图 3 中的线性区，增益受漏压影响较大，所以当 V1 变化时，FET1 的放大倍数也会相应变化。这样，FET1 和 FET2 的增益都受 Vc 的控制，其共同的增益变化量成为功率放大器的增益变化范围。