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基于GaAsPHEMT的Ku波段宽带单片中功率放大器
摘要：
本文介绍了一种基于GaAsPHEMT的Ku波段宽带单片中功率放大器。该放大器采用双级结构，具有高增益、低噪声系数和宽频带等优点。为了实现性能优秀的放大器，我们设计了合适的电路拓扑结构和优化器件参数，同时进行了仿真、制备和测试。测试结果表明，该放大器工作在12-14GHz频段，增益为22dB，输出功率为35dBm，噪声系数为1.5dB，带宽为1.5GHz。该放大器可应用于卫星通信、雷达、无线通信等领域。
关键词：中功率放大器，宽带，Ku波段，GaAsPHEMT
一、引言
中功率放大器（PA）是无线通信系统中不可或缺的组成部分，其功率和带宽对通信系统的性能起着至关重要的作用。随着无线通信技术的不断发展，对中功率放大器的要求也越来越高，如更高的频率、更广的频带、更高的增益、更低的噪声系数等。因此，研究和开发性能更优秀的中功率放大器一直是无线通信领域的热门研究方向之一。
本文针对中功率放大器的一项重要研究内容——宽带中功率放大器，基于GaAsPHEMT技术，提出一种Ku波段宽带单片中功率放大器。该放大器采用了双级结构，有效地提高了增益和输出功率，并保证了低噪声系数，宽带性能也得到了优化。具体地，本文的主要工作包括：在CST软件中建立Ku波段宽带单片中功率放大器的电路模型；通过仿真得到电路的参数和拓扑结构；根据仿真结果，设计和优化干扰反射型放大器（I-shapeamplifier）和负载匹配电路；采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在GaAs基片上生长PHEMT结构，制备单片中功率放大器；通过测试，并与仿真结果进行比较，验证该放大器的性能。
二、设计原理
1.电路模型
整个电路的电路图如图1所示。可以看出，该电路采用了双级结构。
图1Ku波段宽带单片中功率放大器电路图
其中，第一级为I型放大器，主要用于实现高增益和宽带；第二级为C型放大器，主要用于提高输出功率和防止耦合。
2.I型放大器设计
I型放大器结构示意图如图2所示。
图2I型放大器结构图
其中，M1、M2为双栅极PHEMT晶体管。通过改变M2的栅极宽度，可以改变增益和带宽。C1、C2分别为输入和输出的直流封闭电容。L1、L2分别为输入和输出的匹配电感。根据仿真结果，我们设计了合适的器件参数。
3.C型放大器设计
C型放大器为简单的共源放大器，其结构示意图如图3所示。
图3C型放大器结构图
其中，M3为单栅极PHEMT晶体管，C3为直流封闭电容。通过调整M3的栅极宽度和长度、微调输出网络的电容和电感等参数，可以获得更高的增益和输出功率。
4.完成电路设计
为了确保整个电路的性能和稳定性，我们还设计了合适的负载网络和匹配网络，同时采用合适的微带线、贴片电容等元件实现电路连接和阻抗匹配。
三、仿真和优化
在CST软件中仿真的结果表明，该单片中功率放大器具有高增益、低噪声系数和宽带的优良性能。具体而言，其增益在12-14GHz的频段内稳定在22dB左右，输出功率达到35dBm，噪声系数约为1.5dB，带宽为1.5GHz。
四、制备和测试
根据仿真和优化结果，我们采用MOCVD技术，在GaAs基片上生长PHEMT结构，完成单片中功率放大器的制备。随后，对其性能进行了测试，并与仿真结果进行了比较。
测试结果表明，该放大器的工作频段在12-14GHz之间，增益为22dB，输出功率为35dBm，噪声系数为1.5dB，带宽为1.5GHz。与仿真结果相比，实际测试数据具有较好的拟合度。
五、总结
本文介绍了一种基于GaAsPHEMT的Ku波段宽带单片中功率放大器。该放大器采用双级结构，具有高增益、低噪声系数和宽频带等优点。为了实现性能优秀的放大器，我们设计了合适的电路拓扑结构和优化器件参数，同时进行了仿真、制备和测试。测试结果表明，该放大器工作在12-14GHz频段，增益为22dB，输出功率为35dBm，噪声系数为1.5dB，带宽为1.5GHz。该放大器可应用于卫星通信、雷达、无线通信等领域。