根据压控增益电路理论和放大器设计原理，设计并制作了基于GaAs技术的可变增益功率放大器单片微波集成电路(MMIC)。利用电路仿真软件ADS对原理图和版图进行仿真，研究了增益控制电路在放大器中的位置对性能的影响。最后，在6 ~ 9 GHz的频率范围内，1 dB压缩点的输出功率大于33 dBm。当控制电压在-1 ~ 0 V之间变化时，放大器的增益在5 ~ 40 dB之间变化，增益控制范围达到35 dB。功率放大器和增益控制电路制作在同一单片集成电路上，面积仅为3.5 mm2.3 mm，灵活易用，集成度高，成本低，可广泛应用于卫星通信和数字微波通信。
甚小口径终端(VSAT)和数字微波通信(又称P2P通信)系统是商用微波无线信息传输系统，具有覆盖范围大、集成度高、提供的服务类型相同、各地兼容性好、扩展成本低、所需时间短、通信质量好、安装方便等特点。
功率放大器是微波无线信息传输系统的核心部件。它的性能直接影响发射机的作用半径、线性特性和整个系统的效率。它通常是系统中最昂贵的组件。当代微波无线信息传输系统的小型化趋势越来越明显，对元器件的集成度要求越来越高。
国外对商用单片功率放大器的研究较早，其中日本Eudyna公司产品性能较好，市场份额最大。美国的Hittite公司和Triquint公司近两年也推出了相应的产品。中国还积极开展了GaAs材料生长和器件开发的相关研究工作。
由于功率放大器用于商业领域，对其性能和成本有更高的要求。本文通过电路设计扩展了传统功率放大器的功能，增加了增益控制功能，在实现系统小型化的同时降低了成本，同时不会影响功率放大器的输出功率和效率等相关指标。
本文利用制造微波单片集成电路的成熟的GaAs伪高电子迁移率晶体管(PHEMT)技术开发多功能功率放大器。该技术稳定、收率高，对缩短研发周期、降低成本具有不可替代的作用。本文研制的多功能功率放大器单片集成电路面积约为8 mm2，与相同指标的功率放大器相同。传统室外机的电压可变衰减器(VVA)的面积约为1.7 mm2。可以看出，本文的多功能功率放大器节省了17.5%的芯片面积，有利于系统的小型化和降低成本。
增益控制电路的功能是通过改变控制电压来改变放大器的增益。增益控制电路在放大器中的位置非常重要。如果放在放大器的最后一级，会因自身损耗影响输出功率。如果放在中间级，会使放大器的中间级无法将最后一级推向饱和，从而影响效率。通过以上分析，增益控制电路被置于放大器的第一级。
增益控制电路的原理如图1所示。它由两个场效应晶体管组成。FET1的漏极与FET2的源极相连。射频信号从场效应晶体管1的栅极输入，从场效应晶体管2的漏极输出。图1中：Vc为控制电压；Vgs为栅极电压；Vdd是泄漏电压；V1代表两个场效应管连接点的电压；Ids是FET1和FET2的漏极至源极电流。在图1中，FET1的源极和FET2的漏极连接到同一个节点，因此Ids同时流经FET1和FET2。该电路通过改变Vc的电压值来改变增益。
图1增益控制电路的拓扑图
工作在饱和区的场效应晶体管的跨导gm、Ids和Vgs之间的关系如图2所示。如果FET1的栅极电压Vgs保持不变，源漏电阻值的变化不会很大，工作点的阻抗约为10 。根据欧姆定律，V1电压值由Ids决定。FET2的漏极电压Vds保持不变。当Vc改变时，FET2的栅极电压也相应改变。从图2中的曲线可以看出，当栅极电压变化时，gm会发生变化，FET2的放大倍数也会相应变化。同时，当FET2的栅极电压发生变化时，根据图3，Ids会发生很大的变化。根据前面的分析，当Ids发生变化时，V1的价值也会相应发生很大的变化。当V1小于1V时，FET1工作在图3的线性区域，增益受漏电压影响较大，所以当V1变化时，FET1的放大倍数也会相应变化。这样，FET1和FET2的增益由Vc控制，它们共同的增益变化成为功率放大器的增益变化范围。
m，Ids和Vgs的关系曲线””
图2 gm，Ids与Vgs的关系曲线
ds、Vgs和Ids之间的关系曲线””
图3 VDS、Vgs和Ids之间的关系
2功率放大器的设计原理
>本文选用中国电子科技集团公司第十三研究所 GaAs PHEMT 工艺线的模型进行功率放大器的设计，GaAs PHEMT 场效应管总栅宽 1mm 的输出功率为 0.6 W，若需要输出 33 dBm，即 2W 功率，末级总栅宽需 4mm，使用 4 个功率单元，每个单元总栅宽 1 mm。要得到高效率的功率放大器，需要仔细考虑每一级场效应管的总栅宽比，可以达到最大效率。
根据设计目标确定相应的电路拓扑结构，拓扑结构的选择决定着整个电路的性能，对有源器件进行负载牵引，找出有源器件能够输出最大功率时的输入和输出阻抗在阻抗圆图上的位置。本文所用 1 mm 栅宽模型如图 4 所示，图 4（a）为模型版图形，用于进行器件建模，图 4（b）为通过测量参数拟合的大信号模型。输出匹配网络的设计着眼于最大的功率输出，拓扑结构如图 5 所示。
图 4 1 mm 栅宽器件模型
图 5 功率放大器拓扑结构
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 Po（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 Vc 为 0，－0.2，－0.4 和－0.6V 吻合得较好，在 Vc 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 Vc=－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。