根據(jù)電壓控制增益電路理論及放大器設計原理，設計制作了一種基于 GaAs 工藝的可變增益功率放大器單片微波集成電路（ MMIC）。采用電路仿真 ADS 軟件進行了原理圖及版圖仿真，研究了增益控制電路在放大器中的位置對性能的影響。最終實現(xiàn)了在 6～9GHz 頻率范圍內，1 dB 壓縮點輸出功率大于 33 dBm，當控制電壓在－1～0 V 之間變化時，放大器的增益在 5～ 40dB 之間變化，增益控制范圍達到了 35 dB。將功率放大器與增益控制電路制作在同一個單片集成電路上，面積僅為 3.5 mm×2.3 mm，具有靈活易用、集成度高和成本低的特點，可廣泛應用于衛(wèi)星通信和數(shù)字微波通信等領域。甚小口徑終端（verysmall aperture terminal，VSAT）和數(shù)字微波通信（也稱 P2P 通信）系統(tǒng)為商用微波無線信息傳輸系統(tǒng)，具有覆蓋范圍大、集成化程度高、對所有地點提供相同的業(yè)務種類和服容性好、擴容成本低、所需時間短、通信質量好和安裝方便的特點。功率放大器是微波無線信息傳輸系統(tǒng)的核心元器件，其性能直接影響發(fā)射機的作用半徑、線性特性以及整個系統(tǒng)的效率，它通常是系統(tǒng)中成本最高的元器件。當代微波無線信息傳輸系統(tǒng)小型化的趨勢越來越明顯，這就要求元器件的集成度越來越高。國外開展商用單片功率放大器研究較早，其中日本 Eudyna 公司的產品性能較佳，占領的市場份額最大，美國 Hittite 公司和 Triquint 公司也在近兩年推出了相應的產品。中國在 GaAs 材料生長和器件研制方面也積極開展了相關的研究工作。由于該功率放大器應用于商用領域，所以對其性能和成本都有較高的要求，本文通過電路設計，將常規(guī)功率放大器的功能進行擴展，增加增益控制功能，能夠在實現(xiàn)系統(tǒng)小型化的同時，降低成本，同時，不會影響功率放大器的輸出功率和效率等相關指標。本文采用目前制作微波單片集成電路成熟的 GaAs 贗高電子遷移率晶體管（ pseudomorphic high electron mobility transistor，PHEMT）工藝進行多功能功率放大器的研制，其工藝穩(wěn)定，成品率高，在縮短研發(fā)周期和降低成本方面具有不可替代的地位。本文研制的多功能功率放大器單片集成電路的面積與同樣指標的功率放大器面積一樣，約為 8 mm2，傳統(tǒng)室外單元的電壓控制可變衰減器（voltage variable attenuator，VVA）的面積約為 1.7 mm2，可見文中的多功能功率放大器將芯片面積節(jié)省了 17.5%，有利于系統(tǒng)的小型化和成本的降低。

　　1 增益控制電路的設計原理

　　增益控制電路的作用是通過改變控制電壓，達到改變放大器增益的目的。增益控制電路在放大器中的位置至關重要，若放置于放大器的末級，會由于自身的損耗而影響輸出功率，放置于中間，會使放大器的中間級因無法將末級推飽和，從而影響效率。通過以上分析，將增益控制電路放置于放大器的第一級。增益控制電路的原理如圖 1 所示，由兩個場效應晶體管（field effect transistor，F(xiàn)ET）組成，F(xiàn)ET1 的漏極與 FET2 的源極連接在一起，射頻信號從 FET1 的柵極輸入，從 FET2 的漏極輸出。圖 1 中：Vc 為控制電壓;Vgs 為柵壓;Vdd 為漏壓;V1 表示兩個 FET 連接點的電壓;Ids 為 FET1 和 FET2 的漏極到源極的電流，圖 1 中 FET1 的源極和 FET2 的漏極連接于同一節(jié)點，所以 Ids 同時流經 FET1 和 FET2。該電路通過改變 Vc 的電壓值來改變增益。

　　FET 工作在飽和區(qū)時的跨導 gm，Ids 與 Vgs 的關系如圖 2 所示。FET1 的柵壓 Vgs 保持不變，則源漏電阻值的變化不會很大，在工作點的阻抗約為 10Ω，由歐姆定律可知，V1 的電壓值由 Ids 決定。FET2 的漏壓 Vds 保持不變，Vc 變化時，F(xiàn)ET2 的柵壓相應變化，由圖 2 的曲線可以看出，當柵壓變化時，gm 會產生變化，F(xiàn)ET2 的放大倍數(shù)則相應改變。同時，F(xiàn)ET2 的柵壓變化時，根據(jù)圖 3，Ids 會有較大的變化。根據(jù)之前的分析，Ids 變化時，V1 的值也會相應產生較大的變化，當 V1 小于 1V 時，F(xiàn)ET1 工作在圖 3 中的線性區(qū)，增益受漏壓影響較大，所以當 V1 變化時，F(xiàn)ET1 的放大倍數(shù)也會相應變化。這樣，F(xiàn)ET1 和 FET2 的增益都受 Vc 的控制，其共同的增益變化量成為功率放大器的增益變化范圍。