依据电压操控增益电路理论及扩大器规划原理，规划制造了一种依据GaAs工艺的可变增益功率扩大器单片微波集成电路（ MMIC）。选用电路仿真ADS软件进行了原理图及地图仿真，研讨了增益操控电路在扩大器中的方位对功用的影响。终究完结了在6～9GHz频率规模内，1 dB紧缩点输出功率大于33 dBm，当操控电压在－1～0 V之间改动时，扩大器的增益在5～40dB之间改动，增益操控规模到达了35 dB。将功率扩大器与增益操控电路制造在同一个单片集成电路上，面积仅为3.5 mm×2.3 mm，具有灵敏易用、集成度高和本钱低的特色，可广泛运用于卫星通讯和数字微波通讯等范畴。
甚小口径终端（verysmall aperture terminal，VSAT）和数字微波通讯（也称P2P通讯）体系为商用微波无线信息传输体系，具有掩盖规模大、集成化程度高、对一切地址供给相同的事务品种和服容性好、扩容本钱低、所需时间短、通讯质量好和装置便利的特色。
功率扩大器是微波无线信息传输体系的中心元器材，其功用直接影响发射机的效果半径、线性特性以及整个体系的功率，它通常是体系中本钱最高的元器材。今世微波无线信息传输体系小型化的趋势越来越显着，这就要求元器材的集成度越来越高。
国外展开商用单片功率扩大器研讨较早，其间日本Eudyna公司的产品功用较佳，占据的市场份额最大，美国Hittite公司和Triquint公司也在近两年推出了相应的产品。我国在GaAs资料成长和器材研发方面也积极展开了相关的研讨作业。
因为该功率扩大器运用于商用范畴，所以对其功用和本钱都有较高的要求，本文经过电路规划，将惯例功率扩大器的功用进行扩展，添加增益操控功用，可以在完结体系小型化的一起，下降本钱，一起，不会影响功率扩大器的输出功率和功率等相关方针。
本文选用现在制造微波单片集成电路老练的GaAs赝高电子迁移率晶体管（ pseudomorphic high electron mobility transistor，PHEMT）工艺进行多功用功率扩大器的研发，其工艺安稳，成品率高，在缩短研发周期和下降本钱方面具有不行代替的方位。本文研发的多功用功率扩大器单片集成电路的面积与相同方针的功率扩大器面积相同，约为8 mm2，传统室外单元的电压操控可变衰减器（voltage variable attenuator，VVA）的面积约为1.7 mm2，可见文中的多功用功率扩大器将芯片面积节省了17.5%，有利于体系的小型化和本钱的下降。
1 增益操控电路的规划原理
增益操控电路的效果是经过改动操控电压，到达改动扩大器增益的意图。增益操控电路在扩大器中的方位至关重要，若放置于扩大器的末级，会因为本身的损耗而影响输出功率，放置于中心，会使扩大器的中心级因无法将末级推饱满，然后影响功率。经过以上剖析，将增益操控电路放置于扩大器的榜首级。
增益操控电路的原理如图1所示，由两个场效应晶体管（field effect transistor，FET）组成，FET1的漏极与FET2的源极衔接在一起，射频信号从FET1的栅极输入，从FET2的漏极输出。图1中：Vc为操控电压;Vgs为栅压;Vdd为漏压;V1表明两个FET衔接点的电压;Ids为FET1和FET2的漏极到源极的电流，图1中FET1的源极和FET2的漏极衔接于同一节点，所以Ids一起流经FET1和FET2。该电路经过改动Vc的电压值来改动增益。
图1 增益操控电路拓扑图
FET作业在饱满区时的跨导gm，Ids与Vgs的联系如图2所示。FET1的栅压Vgs坚持不变，则源漏电阻值的改动不会很大，在作业点的阻抗约为10Ω，由欧姆定律可知，V1的电压值由Ids决议。FET2的漏压Vds坚持不变，Vc改动时，FET2的栅压相应改动，由图2的曲线可以看出，当栅压改动时，gm会发生改动，FET2的扩大倍数则相应改动。一起，FET2的栅压改动时，依据图3，Ids会有较大的改动。依据之前的剖析，Ids改动时，V1的值也会相应发生较大的改动，当V1小于1V时，FET1作业在图3中的线性区，增益受漏压影响较大，所以当V1改动时，FET1的扩大倍数也会相应改动。这样，FET1和FET2的增益都受Vc的操控，其一起的增益改动量成为功率扩大器的增益改动规模。
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图2 gm，Ids与Vgs的联系曲线
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图3 Vds，Vgs与Ids的联系曲线
2 功率扩大器的规划原理
本文选用我国电子科技集团公司第十三研讨所GaAs PHEMT 工艺线的模型进行功率扩大器的规划，GaAs PHEMT 场效应管总栅宽1mm的输出功率为0.6 W，若需求输出33 dBm，即2W 功率，末级总栅宽需4mm，运用4个功率单元，每个单元总栅宽1 mm。要得到高功率的功率扩大器，需求细心考虑每一级场效应管的总栅宽比，可以到达最大功率。
依据规划方针确认相应的电路拓扑结构，拓扑结构的挑选决议着整个电路的功用，对有源器材进行负载牵引，找出有源器材可以输出最大功率时的输入和输出阻抗在阻抗圆图上的方位。本文所用1 mm栅宽模型如图4 所示，图4（a）为模型版图形，用于进行器材建模，图4（b）为经过丈量参数拟合的大信号模型。输出匹配网络的规划着眼于最大的功率输出，拓扑结构如图5所示。
图4 1 mm栅宽器材模型
图5 功率扩大器拓扑结构
3 CAD规划仿真与测验成果
依照图1和图5的拓扑结构，运用ADS仿真东西结合GaAs PHEMT工艺模型，对电路进行规划和优化。
运用ADS对功率扩大器单片集成电路的无源元件进行结构规划和优化，调整电容、带线等匹配元件的尺度，对电路的作业频带、增益、驻波、输出功率和功率等参数进行优化，运用ADS中的谐波平衡仿真软件进行大信号仿真，并对地图进行电磁场仿真。ADS仿真包含原理图仿真和地图仿真，在原理图仿真中，获得电路各个元件的初值，并依照规划方针进行优化，可是原理图仿真只考虑了有源器材、金属带线等器材的独立测验模型，并未考虑地图中器材之间的彼此耦合，得到的元件值与实践情况是有距离的。为了精简单片集成电路面积，器材距离挨近单倍线距，有必要考虑线间耦合对扩大器功用的影响，因而，运用2.5D地图仿真东西MOMENTUM，选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 功率扩大器的仿真及测验成果
图6中的虚线是经过优化之后的扩大器地图电磁场仿真成果，实线为测验成果。由图中可知增益操控规模为35 dB，1 dB紧缩点输出功率Po（1 dB）在频带内都大于33 dBm，功率附加功率ηPAE大于30%。本文规划的带增益操控功用的功率扩大器单片集成电路选用GaAs工艺进行流片验证，并进行载体测验，单片集成电路的装置选用装架和键合工艺，装置完结的载体如图7所示。剖析仿真和实测成果，增益改动曲线在Vc为0，－0.2，－0.4和－0.6V吻合得较好，在Vc为－0.8V和－1V时有必定的误差，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，比较挨近夹断区，模型跨导的拟合准确性较差，实践该偏置下的跨导比模型的拟合值要低。1dB紧缩点输出功率和功率附加功率的实测曲线和仿真曲线吻合得较好，该两项方针都是在Vc=－0.6V时进行测验的，此刻扩大器作业在饱满区，模型拟合值在该区域比较挨近实践值，所以该两项方针与仿真成果吻合得较好。
图7 载体装置完结图
4 定论
在带增益操控功用的单片集成电路功率扩大器规划中，本文剖析了增益操控电路原理、增益操控对功率扩大器方针的影响;运用电磁场仿真东西，在确保电路功用基础上精简地图面积，极大地下降了单片集成电路本钱;经过流片和测验，验证了单片集成电路规划办法和思路的正确性和可行性;在不添加功率扩大器单片集成电路面积和下降功用的情况下加入了增益操控功用，下降了本钱，在卫星通讯和数字微波通讯等范畴具有广泛的运用远景。
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