SiC寬帶功率放大器模塊設計分析

張書敬

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,功率放大器已成為無線通信系統(tǒng)中一個不可或缺的部分[1],特別是寬帶大功率產(chǎn)生技術(shù)已成為現(xiàn)代通信對抗的關(guān)鍵技術(shù)。作為第三代半導體材料碳化硅(SiC),具有寬禁帶、高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率、化學性能穩(wěn)定以及抗輻射等優(yōu)點,特別適合制造高溫、高頻、高功率和抗輻射的功率器件[2]。用寬禁帶半導體制成的高溫、高頻和大功率微波器件可以明顯改善雷達、電子對抗系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)等眾多電子信息系統(tǒng)的性能[3,4]。已有文獻報道[5]采用SiC功率器件制作了寬帶脈沖功率放大器,并進行了性能測試和環(huán)境試驗,證實了SiC功率器件可靠性較高、環(huán)境適應能力較強等特點。

利用SiC寬禁帶功率器件設計實現(xiàn)了寬帶高功率放大器,工作頻率帶寬500～2 000 MHz,輸出功率超過100 W,通過對放大器進行性能測試,發(fā)現(xiàn)SiC寬禁帶功率器件具有工作頻帶寬的優(yōu)勢。

1 設計方案

SiC寬禁帶功率器件具有高功率、寬頻帶和耐高溫的特點。CREE公司生產(chǎn)的SiC器件比較成熟,器件性能較好。因此,選用了CREE公司2種商用功率器件,其功率量級分別為10 W和50 W,其型號分別為 CRF24010和 CRF24060,性能指標如表 1所示。

表1 SiC功率器件性能參數(shù)

該功率放大器模塊采用了2組電源電壓分別為+12 V和+48 V,前級激勵功率采用GaAs電路實現(xiàn),末級選用SiC微波功率晶體管進行功率放大。根據(jù)技術(shù)指標要求,選用5級放大電路實現(xiàn)增益和功率電平分配。前級GaAs單元電路為2級放大:第1級采用HE641D集成功率放大器,增益25 dB,輸出功率25 dBm,第2級采用FLL177ME功率管,增益8 dB,輸出功率32.5 dBm(@f=2.3 GHz);SiC單元電路采用3級放大鏈路,由GaAs單元電路激勵信號經(jīng)第3級CRF24010的10 W_的SiC放大器進行放大,再經(jīng)過第4級CRF24060SiC放大器放大,輸出的射頻能量經(jīng)過4路功率分配器后分別推動4只50 W的SiC放大器再次放大,最后再由4路功率合成器功率合成后得到大于100 W的連續(xù)波功率。

研制的功率放大器模塊是為了滿足某工程需要。工作頻率:500～2 000 MHz,連續(xù)波輸出功率:≥100 W,總增益≥50 dB,雜波抑制:≤-60 dBc;工作溫度:-10～+50℃。

2 放大器優(yōu)化設計步驟

放大器級設計要兼顧寬帶放大器和功率放大器2個方面的設計要求:寬帶放大器設計需要特有的拓撲結(jié)構(gòu)、寬帶匹配網(wǎng)絡和寬帶偏置網(wǎng)絡;而功率放大器則需要特有的拓撲結(jié)構(gòu)、大信號下的輸入輸出阻抗、精確的非線性模型和散熱等。每個單獨的問題都相對容易解決,但當它們都變成寬帶問題時,設計難度將會倍增。而且當頻帶寬至多倍頻程時,每個環(huán)節(jié)的設計都是巨大的挑戰(zhàn)。根據(jù)總體的設計要求,放大器設計分為2個部分:驅(qū)動級部分和末級功率級部分,由于HE641D為集成功率放大器,不需要匹配網(wǎng)絡,所以在優(yōu)化設計過程中沒有考慮在內(nèi)。驅(qū)動級部分包括FLL177ME、CRF24010和CRF24060三級功率放大;末級功率級部分主要是 4只CRF24060功率合成。

2.1 驅(qū)動級設計

由于FLL177ME功率管只有小信號S參數(shù),而CRF24010和CRF24060有精確的大信號模型,所以驅(qū)動級設計采用整體設計和單管獨立設計再串聯(lián)的綜合設計方法,對FLL177ME功率管采用小信號參數(shù)模擬方法,對SiC MESFET功率管CRF24010和CRF24060利用精確的非線性模型,采用整體設計,通過ADS設計軟件,運用小信號和諧波平衡仿真方法對設計電路進行優(yōu)化。在軟件中建立網(wǎng)絡拓撲模型是寬帶放大器設計的關(guān)鍵,FLL177ME功率管放大器CAD設計電路原理圖如圖1所示。

圖1 FLL177ME電路拓撲

在對功率管CRF24010和CRF24060整體電路設計中,綜合考慮功率管間的參數(shù)匹配,充分利用器件之間的參數(shù)耦合彌補單器件性能的不足,從而獲得較高的整體性能。為了解決放大器的功率增益隨頻率升高而下降的問題,采取“補償匹配技術(shù)”,適當?shù)厥馆斎牒洼敵銎ヅ渚W(wǎng)絡失配,從而補償正向增益|S21|隨頻率的變化。CRF24010和CRF24060功率管級聯(lián)CAD設計電路原理圖如圖2所示。

圖2 CRF24010和CRF24060電路拓撲

負反饋是改善放大器帶寬的有效措施之一。由于微波管增益隨頻率升高而下降,采用負反饋可以降低頻率低端增益,改善增益平坦度,減小晶體管參數(shù)的離散性對放大器特性的影響。F177ME和CRF24010功率管采用負反饋技術(shù)來展寬放大器的帶寬,獲得平坦的增益,降低輸入輸出駐波比。采用電容、電阻串聯(lián)的負反饋方式可以大大增加穩(wěn)定性,減少噪聲損失,并且可以改善系統(tǒng)增益的平坦度。

2.2 功率級設計

功率級通過3 dB電橋進行4路CRF24060功率合成,設計的重點是CRF24060單管放大器輸出功率的設計。設計功率放大器完全不同于小信號放大器的設計,其輸出電路首先要滿足高的集電極效率和足夠的飽和輸出功率,要在輸出功率和增益之間合理設計,將同時滿足功率輸出和增益要求的輸出負載作為功率管的輸出阻抗精心設計。由于功率管的增益隨頻率升高而下降,且每個倍頻程增益下降約6 dB,因此,輸入匹配電路要采用衰減—頻率特性具有一定斜率的網(wǎng)絡,使匹配網(wǎng)絡在頻率降低時產(chǎn)生失配,而且由失配產(chǎn)生的衰減要近似按每倍頻程6 dB的規(guī)律增大,從而抵消功率管增益變化的影響,保證放大器功率增益的平坦性和輸出功率的帶內(nèi)起伏小。CRF24060功率管的電路拓撲如圖3所示。

圖3 CRF24060電路拓撲

采用微波CAD軟件ADS對電路拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,主要通過諧波平衡仿真的方法對輸出功率和諧波等大信號進行仿真優(yōu)化。

2.3 偏置電路設計

在射頻放大電路的設計中,容易忽視直流偏置電路的設計。如果直流偏置電路設計不當,會影響射頻放大電路的功率增益和噪聲系數(shù),甚至會導致放大電路的不穩(wěn)定。通常根據(jù)特定電路的需要進行有針對性的偏置電路的設計。在直流偏置電路的設計中,電路的穩(wěn)定性是一個非常重要的指標。

偏置電路影響放大器的頻響特性和穩(wěn)定性,所以設計時必須仔細考慮。在高頻段,偏置電路對功率放大器的匹配網(wǎng)絡有很大影響,應作為匹配電路的一部分來考慮。在CAD仿真過程中,偏置電路一并進行仿真,達到在工作頻段內(nèi)隔離直流和射頻信號的作用,在不影響匹配的情況下,濾除功率器件的各種雜散信號。

在前面設計的匹配電路的基礎(chǔ)上,利用ADS軟件對整個電路進行級聯(lián)仿真和優(yōu)化,小信號增益仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 增益仿真與測試結(jié)果

3 模塊制作與測試

基板材料采用CER-10板材,介電常數(shù)9.8,厚度1.19 mm。在版圖大小和損耗允許的情況下,基板厚度增加,可以避免PCB板彎曲。微帶傳輸線的寬度及離地的距離應嚴格按照ADS計算的結(jié)果鋪設。根據(jù)以上方法,設計制作了寬帶功率放大器模塊,制作出電路后,需要放大器模塊進行調(diào)試,反復的調(diào)試工作是功率放大器設計完成的保證,系統(tǒng)仿真并不能替代功率放大器的調(diào)試工作。經(jīng)過調(diào)試后,對寬功率放大器模塊主要性能指標進行了測試,常溫下測試結(jié)果如表2所示,增益測試曲線如圖4所示。為了滿足工程環(huán)境要求,對其做了輸出功率高低溫試驗,高低溫試驗結(jié)果如表3所示。

表2 寬帶功率放大器測試數(shù)據(jù)(常溫)

表3 寬帶功率放大器輸出功率測試(高低溫)

4 測試結(jié)果分析

采用4只CRF24060 SiC寬禁帶功率器件合成出了100 W以上功率放大器,工作范圍達到了500～2 000 MHz,成功實現(xiàn)了多倍頻程工作帶寬,體現(xiàn)出SiC寬禁帶功率器件輸入、輸出特性阻抗較高,比較容易實現(xiàn)寬帶電路匹配,適合寬頻帶工作。從圖4增益仿真與測試結(jié)果對比可以看出存在一定差異,特別是在頻率高端,主要是由于仿真模型的理想化與實際電路存在損耗及加工制作誤差等原因所致,但測試結(jié)果滿足工程需要的各項指標要求,證明了設計方法的可行性。

SiC寬禁帶功率器件的工作電壓為48 V,工作時漏極電流較小(1.0 A左右)。SiC寬禁帶功率器件具有高工作電壓、小工作電流的特點。減小工作電流,在工程中可以減小由于電源供電帶來的損耗,提高電源供電效率。

從高低溫試驗結(jié)果看,輸出功率較常溫下有所下降,高溫工作時,SiC功率器件輸出功率隨環(huán)境溫度升高而減小的速度約為-0.05 dB/10℃?？梢?應用寬禁帶功率器件可以提高功率放大器的環(huán)境適應能力,使放大器可以在高溫、溫度變化大的環(huán)境中工作。

5 結(jié)束語

利用SiC寬禁帶功率器件結(jié)合GaAs功率器件設計制作了500～2 000 MHz波段寬帶功率放大器,滿足工程需要的各項指標,證實了ADS設計軟件能夠提高設計效率,體現(xiàn)出SiC寬禁帶功率器件工作帶寬較寬、增益帶寬積指標較好、可靠性較高和環(huán)境適應能力較強等特點,可以應用到實際的工程中。

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