可变增益的功率放大器单片微波集成电路

3 CAD设计仿真与测试结果

按照图1和图5的拓扑结构，使用ADS仿真工具结合GaAs PHEMT工艺模型，对电路进行设计和优化。

利用ADS对功率放大器单片集成电路的无源元件进行结构设计和优化，调整电容、带线等匹配元件的尺寸，对电路的工作频带、增益、驻波、输出功率和效率等参数进行优化，利用ADS中 的谐波平衡仿真软件进行大信号仿真，并对版图进行电磁场仿真。ADS仿真包括原理图仿真和版图仿真，在原理图仿真中，取得电路各个元件的初值，并按照设计 目标进行优化，但是原理图仿真只考虑了有源器件、金属带线等器件的独立测试模型，并未考虑版图中器件之间的相互耦合，得到的元件值与实际情况是有差距的。 为了精简单片集成电路面积，器件间距接近单倍线距，必须考虑线间耦合对放大器性能的影响，因此，使用2.5D版图仿真工具MOMENTUM，采用矩量法对 电路的线间耦合及层间耦合进行了电磁场仿真。

图6 功率放大器的仿真及测试结果

图6中的虚线是经过优化之后的放大器版图电磁场仿真结果，实线为测试结果。由图中可知增益控制范围为35 dB，1 dB压缩点输出功率P_{o(1 dB)}在频带内都大于33 dBm，功率附加效率ηPAE大于30%。本文设计的带增益控制功能的功率放大器单片集成电路采用GaAs工艺进行流片验证，并进行载体测试，单片集成电路的安装采用装架和键合工艺，安装完成的载体如图7所示。分析仿真和实测结果，增益变化曲线在V_c为0，－0.2，－0.4和－0.6V吻合得较好，在V_c为 －0.8V和－1V时有一定的偏差，实测的增益比仿真要低2～4dB，原因可能是当FET的栅压偏置在－0.8V和－1V时，比较接近夹断区，模型跨导的 拟合准确性较差，实际该偏置下的跨导比模型的拟合值要低。1dB压缩点输出功率和功率附加效率的实测曲线和仿真曲线吻合得较好，该两项指标都是在V_c=－0.6V时进行测试的，此时放大器工作在饱和区，模型拟合值在该区域比较接近实际值，所以该两项指标与仿真结果吻合得较好。

图7 载体安装完成图

4 结论

在带增益控制功能的单片集成电路功率放大器设计中，本文分析了增益控制电路原理、增益控制对功率放大器指标的影响;使用电磁场仿真工具，在保证电路性能基础 上精简版图面积，极大地降低了单片集成电路成本;通过流片和测试，验证了单片集成电路设计方法和思路的正确性和可行性;在不增加功率放大器单片集成电路面 积和降低性能的情况下加入了增益控制功能，降低了成本，在卫星通信和数字微波通信等领域具有广泛的应用前景。