VHF頻段寬帶大功率LDMOS功放電路的設計與實現

夏 達，孫衛忠

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

甚高頻(Very High Frequency，VHF)頻段雷達工作在30 MHz～300 MHz，因其作用距離遠、反隱身性能好以及發現反輻射導彈(ARM)的能力強得到了廣泛的應用。

橫向擴散金屬氧化物半導體(Lateral Diffusion Metal Oxide Semiconduction，LDMOS)場效應管作為一種性價比很高的器件，自20世紀80年代應用以來一直在通信系統的固態功放中起著主導作用。隨著它向高頻率、大功率和寬帶的方向發展，憑借在線性、增益、成本、可靠性等方面的優良性能，其應用領域迅速推廣，近年來開始廣泛應用在微波雷達領域［1］。

隨著LDMOS技術的不斷發展，以國外NXP公司和FREESCALE公司為代表的生產廠家，已發展出第九代LDMOS功率管技術，在輸出功率、防靜電能力、抗駐波能力等方面都有明顯的改進［2］。最新研發的LDMOS射頻功率管工作頻率為DC 600 MHz，典型輸出功率達到1 200 W，抗駐波能力為65∶1不損壞。

本文運用同軸巴倫寬帶匹配技術，采用同軸巴倫進行功率管的匹配，通過使用磁性材料擴展工作帶寬，設計出使LDMOS功率管在VHF頻段100%相對帶寬內，輸出功率大于1 000 W，效率大于70%，帶內波動優于1 dB的功放電路。

1 電路設計

由于本文設計的VHF功放具有相對帶寬寬、輸出功率大等特點，在電路設計中重點關注了功率管大信號模型阻抗參數提取、寬帶巴倫匹配技術實現和ADS軟件仿真設計三個方面。

1.1 大信號模型阻抗參數

與小信號條件下實現最大傳輸增益的共軛匹配和實現最小噪聲系數的最佳源反射系數匹配等設計原則不同，大功率放大電路設計通常以最佳負載阻抗匹配為目標。利用ADS軟件對該功率管在中心頻率f0做負載牽引仿真，使用諧波平衡法分析其功率及效率最佳匹配點。

具體過程是:功率管在給定的輸入功率下，優化增益和效率指標，得到最佳條件下的負載阻抗ZL;保持最佳負載阻抗ZL不變，不斷掃描源阻抗得到最佳源阻抗ZS;通過不斷迭代仿真，最終得到功率管大信號模型下的源阻抗ZS和負載阻抗ZL。

圖1是利用ADS軟件仿真得出的該功率管在中心頻率f0處的負載阻抗參數:

圖1 中心頻率f0的負載阻抗參數的提取

由于該功率管增益余量較高，故對源阻抗的匹配可以采用通用的阻抗變換形式(1∶4)去實現。

1.2 寬帶巴倫設計

同軸電纜變換器(巴倫)為RF功率放大器的寬頻帶工作提供了可能性，它由套上鐵氧體磁芯的一段同軸電纜或直接繞在鐵氧體磁芯上的同軸電纜構成［3］。其實際結構處于集中參數與分布參數之間。在低頻端，它的等效電路可用傳統的低頻變換器描述，其原理圖如圖2所示。

圖2 低頻變換器原理圖

為了避免產生任何諧振現象，特別是引起復數負載實質上的幅度波動增加，傳輸線的長度應該根據以下條件選取［4］

本文采用的同軸巴倫結構如圖3所示，同軸電纜T1和T2的特征阻抗為16 Ω，能實現源阻抗對負載阻抗為1∶9的阻抗變換。具體分析如下:T1或T2的內外導體可以等效為圖4所示的傳輸線。

圖3 1∶9同軸巴倫變換器

圖4 同軸巴倫內外導體等效示意圖

其中，電流大小相同，流向相反，電壓幅度ΔV1=ΔV2。

根據上述等效示意圖將1∶9同軸巴倫變換器等效，如圖5所示。

圖5 1∶9同軸巴倫變換器等效示意圖

根據圖5，得到如下計算結果

故使用圖3所示寬帶巴倫能實現源阻抗對負載阻抗1∶9的阻抗變換。在巴倫阻抗變換推導過程中，由于沒有涉及工作頻率，理論上該電路的帶寬從最高截止頻率往下都可以適用，因此該電路帶寬非常寬，完全可以滿足所需要的帶寬。

1.3 ADS仿真分析

根據大信號模型，使用ADS軟件進行負載牽引的仿真，得到其輸出阻抗參數。然后選擇同軸巴倫進行匹配，使用諧波平衡法仿真，得到其設計電路的增益、效率等相關指標參數［5］。

使用ADS軟件建立的電路原理圖，如圖6所示。

圖6 ADS軟件諧波平衡法仿真原理圖

由圖6可以看出，柵極電壓Vlow=3.05 V，漏極電壓Vhigh=50 V，輸入功率RFin=36 dBm。

仿真得到其增益和效率曲線，如圖7所示。

圖7 增益和效率仿真曲線

通過ADS軟件進行仿真分析，我們得到該LDMOS功放的增益和效率仿真曲線。其增益大于24.4 dB，效率大于70%，與設計目標接近。

2 電路實現與測試結果

2.1 電路實現

針對以上仿真結果，我們設計了LDMOS功率模塊。考慮到其輸出功率較大，對熱設計也相應提出更高的要求。同時考慮到工作頻率較低，印制板介電常數對電路性能的影響較小，最后選取普通聚四氟乙烯印制板作為介質基板。這既節約了成本，同時對電路性能的影響也微乎其微。

在功率管散熱問題的解決上，我們采取將功率管法蘭盤通過大面積焊接工藝直接焊接至銅底板上的辦法。由于銅底板熱傳導性能較好，能將LDMOS功率模塊工作時產生的熱量迅速傳導出去，提高長期工作的可靠性［6］。

圖8為實際研制完成的LDMOS功率模塊，其外形尺寸為125 mm×75 mm。

圖8 LDMOS功率模塊實物

2.2 測試結果

測試結果如表1所示。

表1 LDMOS功率模塊測試結果

與仿真結果對比，如圖9所示。

圖9 實測與仿真數據對比

由測試結果可知，實測數據與仿真數據結合較好，該功率模塊在VHF頻段100%相對帶寬內，實現輸出功率大于1 kW，效率大于70%的設計目標。

3 結束語

隨著VHF頻段雷達對發射機的帶寬和功率要求越來越高，寬帶大功率功放電路成為其組成的基本單元。本文采用最新研發的LDMOS功率管設計了一種VHF頻段寬帶大功率功放模塊，通過對比ADS仿真結果與實物測試數據，驗證了其設計方法的準確性。文中的寬帶巴倫匹配技術為低頻段大功率LDMOS功率管提供了一種可行的匹配方法，可應用于同類型功放電路的設計中，具有廣闊的工程應用前景。

［1］ 黃 江，王衛華.新型的功率器件-射頻LDMOS［J］.微波學報，2006，22(3):48-51.Huang Jiang，Wang Weihua.A new-type power device-RF LDMOS FET［J］.Journal of Microwaves，2006，22(3):48-51.

［2］ 鄭 新.三代半導體功率器件的特點與應用分析［J］.現代雷達，2008，30(7):12-15.Zheng Xin.Characteristics and application analysis of semiconductor power devices for three generations［J］.Modern Radar，2008，30(7):12-15.

［3］ 張紀綱.射頻鐵氧體寬帶器件［M］.北京:科學出版社，1986.Zhang Jigang.Video ferrite broadband device［M］.Beijing:Science Press，1986.

［4］ Andrei Grebennikov.射頻與微波功率放大器設計［M］.張玉興，趙寶飛，譯.北京:電子工業出版社，2006.Andrei Grebennikov.Design of RF and microwave power amplifier［M］.Zhang Yuxing，Zhao Baofei，translate.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［5］ 楊賢松.用ADS進行寬帶微波功放的仿真設計［J］.通信對抗，2006，2(1):55-57.Yang Xiansong.Simulation design of wideband microwave power amplifier with ADS［J］.Communication Countermeasures，2006，2(1):55-57.

［6］ Pietr Abrie.Design of RF and microwave amplifier oscillator［M］.［S.l.］:Artech House，2009.