S頻段200 W功率合成放大器設計

解冰一，李春輝

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

S頻段200 W功率合成放大器設計

解冰一，李春輝

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對功率放大器調試困難的問題，采用ADS軟件設計功率放大器。利用負載牽引方式尋找功率管在工作頻段內(nèi)的最佳匹配點，進行電路匹配設計和優(yōu)化，實現(xiàn)了功率放大器各項指標要求。最終的實物測試結果與仿真結果基本吻合，驗證了仿真的真實性和有效性。采用熱管散熱技術，將功率管結溫控制在155.2 ℃的安全工作溫度。為實現(xiàn)大功率輸出，采用3 dB電橋功率合成技術，并對2條合成鏈路進行幅度和相位一致性控制，在所需頻段達到200 W以上的功率輸出。

ADS仿真；功率合成；負載牽引；電路匹配

0 引言

功率放大器是發(fā)射機中的重要部件，在衛(wèi)星通信、遙控遙測、雷達和電子對抗中應用廣泛[1]。近些年，航天測控技術飛速發(fā)展，對功率放大器的功率需求越來越高[2]。大功率固態(tài)器件相比于傳統(tǒng)的電真空器件，具有體積小、可靠性高、工作電壓低和壽命長等優(yōu)點，在百瓦級功放設計中已占據(jù)主導地位[3]。使用LDMOS功率管，采用3 dB電橋合成技術設計了一種S頻段固態(tài)功率放大器，輸出功率大于200 W，功率增益大于16.5 dB，效率高于40%。

1 總體設計

本文使用LDMOS功率管，采用3 dB電橋合成技術設計了一種S頻段固態(tài)功率放大器。

1.1 器件選型設計

目前常用的微波功率半導體器件有GaAs、GaN和LDMOS三種[4]。GaAs功率管具有工作帶寬寬、工作頻率高和單管輸出功率大等優(yōu)點，但是其工作電壓比較高，通常為48 V，對電源部分的設計要求比較高[5]。GaN功率管輸出功率大，效率高，輸入輸出端易匹配，但是價格昂貴，線性相對較差。LDMOS功率管輸出功率大，回退線性好，價格便宜?？紤]到成本因素，在此選擇LDMOS器件。

飛思卡爾公司和恩智浦公司是大功率LDMOS器件的全球領導者，在此選用飛思卡爾公司的功率管MRF7S21150HR3，其手冊中最低只給出頻率2 060 MHz的指標，需要通過仿真和后期調試跨頻帶實現(xiàn)所需頻段的功率輸出。

1.2 功率合成設計

由于單管輸出功率不夠，需要通過雙管合成的方式實現(xiàn)200 W的功率輸出，在此選用3 dB電橋合成方式實現(xiàn)的平衡合成放大器，實現(xiàn)原理如圖1所示[6]。3 dB正交電橋合成方式主要有2個優(yōu)點：① 可以改善放大器的駐波，提高放大器穩(wěn)定性；② 二級放大器間隔離度好，單級放大器的損壞只會造成增益下降6 dB，不會使放大器整體失效[7]。

平衡合成放大器由2個大功率3 dB電橋和2個相同的放大器模塊A和模塊B組成。功率輸入3 dB電橋的端口1，平均分配到直通端口2和耦合端口4，相位相差90°。2路信號分別饋入到放大器A和放大器B中，放大器輸出后再分別進入3 dB電橋的端口4和端口2，合成后從端口1中輸出合成功率。在放大器設計中，相比于幅度不一致性，相位不一致性對合成效率的影響更大，應盡量將2個模塊的相位差控制在10°以內(nèi)[8-9]。

圖1 3 dB電橋合成原理

1.3 結構和熱設計

功放的熱設計是功放能否穩(wěn)定工作的關鍵，在結構設計上應重點關注熱設計。熱設計的最終結果是：既能滿足熱性能指標，又能達到電性能要求，所用冷卻代價最小，結構緊湊，工作可靠。采用熱管與強迫風冷結合的技術，通過設計熱管，配合大功率風扇，對功放模塊有效散熱，其散熱功率可高達幾百W。熱管是依靠內(nèi)部工質蒸發(fā)和冷凝的相變過程來實現(xiàn)散熱的散熱元件，具有優(yōu)良的等溫性、高熱傳導能力、無失效部件，熱管的蒸汽與液體通道可以分離、無噪聲、不需要復雜的維修及保養(yǎng)。功率放大器實物盒體底部熱管分布圖如圖2所示。

從功率管MRF7S21150H的官方手冊中可以查到管子結溫正常工作的最高溫度為225 ℃，但溫度過高其可靠性指標將會下降，導致功放壽命降低。因此，功放管長期工作下結溫要控制在170 ℃以內(nèi)，其可靠性將提升一個數(shù)量級。

圖2 熱管分布

下面對功率管MRF7S21150H滿功率工作狀態(tài)下的結溫溫度進行分析[10]。單管滿功率輸出最大為150 W，效率為45%，此時需要的直流功率是333 W，功率增益為17 dB，輸入功率為3 W，考慮到輸入功率的迭加，功率管的熱耗散為：

333-150+3=186 W。

MRF7S21150HR3的熱阻RθJC=0.33 ℃/W ； 總熱阻

RT=0.33+0.06+0.06=0.45 ℃/W,

則MRF7S21150HR3的最小溫升為：

ΔT=155×0.45=83.7 ℃。

在55 ℃的環(huán)境溫度下，對盒體進行熱仿真，仿真結果如圖3所示。

圖3 熱仿真結果

由圖3中可知，安裝功率管MRF7S21150HR3的盒體散熱板最高溫度為71.5 ℃；則功率管的結溫可達到83.7 ℃+71.5 ℃=155.2 ℃，低于之前可長期穩(wěn)定工作的170 ℃，并且有一定余量，在此條件下MRF7S21150HR3可以長期的穩(wěn)定工作。

2 關鍵技術及難點

功率放大器是采用合成方式實現(xiàn)，2條合成鏈路的幅度和相位一致性將直接影響合成效率，如何保證2條放大鏈路的幅度和相位一致性是設計的關鍵和難點。從以下幾個方面來控制2條鏈路的一致性：

① 利用ADS仿真軟件優(yōu)化輸入、輸出匹配網(wǎng)絡，盡量減少后期調試工作；

② 輸入輸出隔直電容盡量采用較大值的電容，減小電容誤差值帶來的不一致性；

③ 盡量采用微帶開路短截線進行輸入輸出電路匹配，可有效降低小電容值匹配時容值誤差對電路的不一致性影響；

④ 功放管采用同批次產(chǎn)品，并且保證印制板加工和電路裝配的一致性。

通過以上措施能夠控制2條鏈路的相位一致性在±5°以內(nèi)，幅度一致性在±0.5 dB以內(nèi)，最終的合成效率將大于90%。

3 功率放大器仿真設計

3.1 靜態(tài)工作點的選擇

靜態(tài)工作點的選取直接關系到功率管的工作方式，為保證功率管的線性度，使功率管工作在AB類狀態(tài)。在漏極電壓確定為28 V的情況下，為了使功率管工作在需要的靜態(tài)電流IQ=1.5 A下，通過仿真確定柵極電壓為VGS=2.75 V，在實際電路再對柵極電壓進行微調，以保證正確的靜態(tài)工作電流[11]。

3.2 匹配電路設計

匹配電路設計的核心思想是將功率管在所需頻率范圍內(nèi)的最優(yōu)輸入輸出阻抗匹配到50 Ω阻抗附近[12]，即將輸入輸出阻抗匹配到阻抗圓圖的中心附近[13]。

通過源牽引和負載牽引方法找到功率管的最優(yōu)輸入輸出阻抗值[14]，如圖4所示，仿真得到功率管MRF7S21150HR3的最佳輸出和輸入阻抗分別為：5.9-j18.3和7.3-j11.3。依據(jù)這2個值，設計匹配電路，采用微帶開路短截線的拓撲結構實現(xiàn)[15]。

圖4 負載牽引和源牽引仿真結果

3.3 完整電路優(yōu)化仿真

將設計好的阻抗匹配電路和偏置電路整合起來，對整體的電路進行諧波平衡仿真。因為在之前阻抗牽引設計中都是針對單點頻進行的，通常此時得到的結果帶寬很窄，為了增加帶寬，就要對某些元件的參數(shù)值進行優(yōu)化，通過犧牲某個點頻的性能實現(xiàn)寬帶設計。具體方法就是將匹配電路中或者偏置電路中的部分元件設為可以優(yōu)化的元件，然后對整個電路進行優(yōu)化仿真。待各項指標滿足要求后，再進行板圖電路仿真，最終的仿真結果如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可知，在2 020～2 120 MHz范圍內(nèi)，增益均大于17 dB，波動在1 dB范圍以內(nèi)。在整個頻帶內(nèi)輸出功率大于140 W，效率在45%以上。

圖5 增益仿真結果

圖6 輸出功率和效率仿真結果

4 性能測試結果及分析

上述仿真是針對單管進行的，在實際加工中需要通過合理布局在同一塊電路板中實現(xiàn)2個完全相同功率放大器模塊的合成，同時要充分考慮到供電和檢波的方便。實際加工出的功率放大器內(nèi)部布局如圖7所示。對放大器的指標進行測試，結果如表1所示。

圖7 200 W功率放大器實物

頻率/MHzP-1dB漏極效率/%線性增益/dB202053．5dBm(224W)4216．8207553．7dBm(234W)4417．4212053．4dBm(219W)4217．0

由功率放大器的測試結果可以看出，各項指標均滿足設計要求，但功率輸出值比仿真設計值偏小。根據(jù)單管仿真結果與合成效率分析功率合成后，輸出功率應該大于240 W，實測結果與仿真結果有一定差異。主要有兩方面的原因：① 印制板加工過程中微帶線尺寸存在誤差，導致單管輸出功率偏低；② 2條放大鏈路中一些不可預見性原因引起的幅度和相位不一致性造成的合成效率降低。

5 結束語

基于ADS仿真，研制了一款S頻段功率放大器，采用3 dB電橋合成的方式實現(xiàn)了200 W以上的功率輸出，效率高于40%，增益高于16.5 dB。對于大功率的合成，對合成鏈路的幅度和相位一致性要求非常嚴格，文中的幾種關于一致性的控制方法對合成型功放設計有很大的參考價值。此次功率放大器的成功設計，證實了ADS仿真作為功放研制的前期設計工具的有效性。通過ADS設計功放匹配電路可大大減少功放設計人員后期繁瑣的匹配電路調試工作，提高工作效率。

[1] 趙中義.L波段LDMOS微波寬帶功率放大器的研制[D].西安：西安電子科技大學，2009.

[2] REINHOLD L，PAVEL B.射頻電路設計-理論與應用[M].王子宇，張肇儀，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[3] ANDREIG.射頻與微波功率放大器設計[M].張玉興，趙宏飛，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[4] 張劍.高功率S波段LDMOS FET功率放大器的研究[D].成都：電子科技大學，2005.

[5] 李云娜.C波段微波功率放大器的設計和實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學，2011.

[6] 裴任彤.S波段微波固態(tài)功率放大器[D].成都：電子科技大學，2003.

[7] 王忠.L波段大功率固態(tài)放大器組件設計[D].西安：西安電子科技大學，2007.

[8] 汪海洋.高功率微波功率合成技術研究[D].成都：電子科技大學，2003.

[9] 陶煜,莊建東,武文娟,等.一種基于Wilkinson功率合成的雙向放大器[J].國外電子測量技術，2011，30(10)：72-75.

[10] 冷獻春.某固態(tài)功放設備的強迫風冷散熱設計[J].機械與電子，2012(2)：44-47.

[11] 徐興福.ADS射頻電路設計與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[12] 楊華煒，蘇凱雄，陳俊，等.基于ADS的多級功率放大器設計與仿真[J].現(xiàn)代電子技術，2012，35(7)：173-176.

[13] 王衛(wèi)華，江元俊，鄭新.L波段大功率小型化固態(tài)功放設計與實現(xiàn)[J].微波學報，2012，28(2)：66-70.

[14] 魏利郝，王偉，陳小兵，等.L頻段150 W固態(tài)連續(xù)波放大器設計[J].無線電工程，2013，43(11)：40-42.

[15] HOVERSTEN J,ROBERG M,POPOVIC Z.Harmonic Load Pull of High Power Microwave Devices Using Fundamental Only Load Pull Tuners[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2010,58(9):2 547-2 556.

Design of S-band 200 W Power Amplifier

XIE Bing-yi,LI Chun-hui

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

To solve the problem of debugging difficulty of power amplifier,a power amplifier is realized by ADS simulation.The optimal match impedance of power transistor is found by load-pull,and the specification requirements of the power amplifier are satisfied by optimizing the matching circuit.The final experimental results are consistent with the simulation results,which proves the validity and effectiveness of the simulation.The junction temperature of power transistor is controlled below 155.2 ℃ by heat pipe technology.By 3 dB bridge power synthesis and consistency control of amplitude and phase,a power output up to 200 W in the desired frequency band is achieved.

ADS simulation;power synthesis;load-pull;matching circuit

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.09.13

解冰一,李春輝.S頻段200 W功率合成放大器設計[J].無線電工程,2017,47(9):64-67.[XIE Bingyi,LI Chunhui.Design of S-band 200 W Power Amplifier[J].Radio Engineering,2017,47(9):64-67.]

TN722

A

1003-3106(2017)09-0064-04

2017-02-15

國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2013AA122105)。

解冰一 男，(1986—)，工程師。主要研究方向：微波功率放大器。

李春輝 男，(1973—)，高級工程師。主要研究方向：微波功率放大器。