1 多級功率放大器級聯(lián)的種類

放大器級聯(lián)的種類一般有三種：
（1）放大器之間加隔離器。這種方式首先將各級放大器分別調(diào)試匹配好，然后通過隔離器串聯(lián)起來。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是級聯(lián)后放大鏈基本上無需再調(diào)試，且工作穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)是系統(tǒng)造價(jià)相對高，體積、重量大。

（2）放大器之間不加隔離器直接級聯(lián)。這種方式也是首先將各級放大器分別調(diào)試匹配好，但在連接時(shí)不加隔離器。這種方式比較折衷，在通信系統(tǒng)和一些低成本收發(fā)設(shè)備中常常使用。它對體積的要求不大，但直接級聯(lián)后，根據(jù)情況需要作一定的再調(diào)試。

（3）放大器之間共用匹配電路。其特點(diǎn)是前一級放大器的輸出匹配電路和后一級放大器的輸入匹配電路是共用的，即，將前一級固態(tài)功率器件的輸出阻抗直接匹配到后一級固態(tài)功率器件的輸入阻抗。這類方式的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省體積、重量，但設(shè)計(jì)困難、調(diào)試風(fēng)險(xiǎn)大、極易損壞固態(tài)功率器件。這種級聯(lián)方式在MMIC（Monolithic Microwave Integrated Circuit）中較常見。

綜合三種級聯(lián)的優(yōu)缺點(diǎn)及系統(tǒng)對功率放大器體積的要求，選擇第三種級聯(lián)方法。這種方法難度高，要求放大管的參數(shù)準(zhǔn)確，匹配電路準(zhǔn)確。

2　功率放大器的指標(biāo)

功率放大器的指標(biāo)如下：工作頻率為17．7 GHz～18 GHz；增益≥23 dB；輸出功率P（1 dB）≥19 dBm；功率起伏≤1 dB；輸入輸出駐波比≤2．5；尺寸為25mm×20 mm。

3　功率放大器管芯選取

系統(tǒng)要求功率放大器增益大于25 dB，輸出功率19 dBm。選用Alpha公司的功率放大器管芯AF08P2－000。該管芯的參數(shù)如下：典型工作狀態(tài)Vds＝5 V，Ids＝140 mA；8．5 GHz增益9 dB；1 dB功率壓縮點(diǎn)24dBm。該管芯的源極已經(jīng)和背面的金屬通過通孔連接在一起，所以，使用時(shí)只需將背面的金屬直接接地就可以，不需要再將源極與地連接。

4　功率放大器的設(shè)計(jì)

Alpha公司提供了放大器管芯的典型工作狀態(tài)的S參數(shù)。S12很小，所以可以使用單向化設(shè)計(jì)方法。將上述S參數(shù)作為一個(gè)黑匣子（black box）代入到AnsoftSerenade中設(shè)計(jì)電路。使用S參數(shù)電路只能設(shè)計(jì)電路的匹配電路，而不能加偏置電壓，但由于設(shè)計(jì)一般放大器最關(guān)心的是放大器的匹配電路（高功率非線性放大器則需要大信號模型）。設(shè)計(jì)時(shí)將偏置電路部分也設(shè)計(jì)在電路中，這樣設(shè)計(jì)出來的電路只要濾波性能好，則影響不大。借助于Serenade中匹配工具可以得到三級放大器的大致框架。然后進(jìn)行優(yōu)化，得到了最終電路，見圖1。

 
圖1中，C表示電容；T表示“T”形結(jié)；O為開路微帶線；R為扇形偏置微帶線；G為地；L為電感。

上述電路中隔直電容采用Alpha公司的芯片電容SC04701518，電容值大小47 pF，插損小于0．05dB，尺寸：0．457 mm×0．457 mm。電容安裝方法如圖2所示。

5　功率放大器的性能分析

圖3是功率放大器的增益曲線圖，在所需的頻帶內(nèi)，放大器的增益均大于27．5 dB。

功率放大器的輸入輸出駐波比也是一個(gè)重要的參數(shù)。它影響放大器前后電路的性能。功放的輸入輸出駐波比曲線如圖4所示，在頻帶內(nèi)駐波比最大為2．2。

6　功率放大器的板圖

功率放大器如圖5所示。尺寸：21 mm×17 mm。為了便于調(diào)試，電路采用雙電源供電。濾波器采用扇形偏置、電感（隔射頻信號）以及大小電容（濾除射頻信號及電源紋波）。

7　功率放大器電路的整體布局

放大器屏蔽盒寬度A是個(gè)關(guān)鍵尺寸，必須滿足

式中，λH是工作頻段高端頻率的波長。如果不滿足上式，在盒內(nèi)就可能產(chǎn)生波導(dǎo)型傳播。在電路中微帶線的開路端、跳變、分支線等不均勻處都會(huì)產(chǎn)生微波輻射。電磁場將以波導(dǎo)模形式在盒內(nèi)空間傳播。當(dāng)反向傳播的波構(gòu)成正反饋時(shí)，就出現(xiàn)頻帶內(nèi)增益平坦度變壞，在某些頻率點(diǎn)上出現(xiàn)尖峰。反饋過強(qiáng)時(shí)，還容易出現(xiàn)自激振蕩。

為滿足公式，在頻率較高時(shí)，盒子寬度可能很小，比如工作在17．7 GHz的放大器，盒子寬度最大允許8．4 mm，而計(jì)算出的功率放大器電路寬度為17 mm，此時(shí)偏置電路將無處安放。通常的解決方法有兩種：一種方式是把偏置電路阻容元件放置在微帶基板反面；另一種方式將微帶電路設(shè)計(jì)在槽寬A的內(nèi)盒中，寬度滿足截止波導(dǎo)公式的要求。在寬度為B的兩條外側(cè)盒槽中設(shè)置偏壓電路各元件，饋電引線可在中間縱向隔板開槽孔或用穿心電容引入。

這兩種方法對本系統(tǒng)都不適用。本系統(tǒng)兩面都布上微帶線，所以第一種方法不適用；由于本放大器的難度高，可能需要調(diào)試，如果采用第二種方法的話，調(diào)試肯定不方便。所以，采用金屬隔板的方法來隔離射頻電路與偏置電路。使微帶電路寬度A滿足截止波導(dǎo)公式的要求。采用這種方法，調(diào)試時(shí)可以根據(jù)需要將隔板移開或插上，操作很方便。另外，級間的隔離也采用加上金屬隔板的方法。三級功率放大器實(shí)物圖如圖6所示。

8　功率放大器的測試結(jié)果及結(jié)論 

研制出的功率放大器測試結(jié)果如下：

在17．7 GHz～18 GHz頻率內(nèi)，該功率放大器輸出功率大于20 dBm，輸出功率起伏小于1 dB。見圖7。

圖8為功率放大器的增益曲線，在17．7 GHz～18GHz內(nèi)，該功率放大器的增益大于26 dB。

另外，該放大器的輸入輸出駐波比在工作頻率范圍內(nèi)小于2．4。

測試結(jié)果表明，該功率放大器性能滿足指標(biāo)要求。