S頻段300W固態功率放大器的設計

黨 博

(中國電子科技集團公司第二十七研究所 鄭州 450047)

0 引言

在信號與信息傳輸系統中，不管傳輸介質是空氣、傳輸線、光纖還是波導，在信號的傳輸過程中都會有損耗，因此在信號的發射末端需要把被發送的信號進行放大，然后再傳送，這就是功率放大器的作用[1]。因此，通信、雷達、導航、遙測遙控遙感、空間技術等信號傳輸系統都需要功率放大器。

現代測控遙感系統中，對功率放大器提出了更高的要求，要求大功率集成，小型化設計[2]，并且還要實現健康管理。本文根據測控遙感系統的實際需要，設計了一款S頻段連續波固態功率放大器，采用超頻段匹配技術，具有連續波300W的大功率輸出，效率大于40%。并且具有電流監測，溫度監測，反射功率監測，輸出功率監測，還有電流過大保護，溫度過高保護，反射功率過大保護功能，實現了功率放大器的健康管理。該模塊采用了緊湊型電路設計，滿足了大功率集成、小型化的高要求，在設計過程中使用了仿真軟件ADS進行了匹配電路的設計，然后用諧波平衡法仿真整個電路，并且對整個電路進行優化仿真，在實際調試過程中又對整個電路進行了調整，最終完成了整個設計。

1 設計方案

根據實際需要，設計了功率放大器的射頻放大鏈路，其原理框圖如圖1所示。

圖1 功率放大器原理框圖

由圖1可以看出，射頻放大鏈路主要有溫度補償衰減器、壓控衰減器、前置放大器、驅動放大器、末級大功率放大器、環行器、檢測與控保電路組成。溫度補償衰減器主要用于補償由于溫度升高造成的整個鏈路增益下降；壓控衰減器主要用于調節整個鏈路的增益，用來實現輸出功率的自動設置；環行器主要用于保護末級大功率放大器，避免輸出不匹配導致反射功率過大燒毀末級功放管；檢測與控保電路主要是檢測功率放大器的狀態，并對功率放大器出現的異常狀態進行控制保護，實現功率放大器的健康管理。

1.1 前級、驅動放大電路設計

為實現大功率集成，小型化設計，前級放大器采用高度集成的砷化鎵功率管，增益為15dB，P-1輸出功率為27dBm，它主要為了提供足夠的增益，以及彌補溫度補償衰減器和壓控衰減器的增益損失。

驅動功率放大器采用高增益的LDMOS功率管，減少了放大鏈路級數，降低器件數量，其增益大于30dB，輸出功率P-1≥44dBm。

1.2 大功率放大電路設計

經過調研查閱資料，大功率放大器選擇了LDMOS功率管，LDMOS功率管相對于雙極性晶體管具有較高的功率增益，較高的可靠性，優良的熱性能[3]。由于LDMOS功率管在大電流范圍的跨導保持較大并為常數，故線性放大的動態范圍較大，并且在大功率輸出時保持較好的線性增益，相對于其它功率器件具有較好的線性度，并且相對于GaAs、GaN功率器件價格低很多[4]。

大功率放大部分采用平衡式放大器設計，由兩個輸出功率為170W的LDMOS放大器通過3dB耦合器合成。兩個相同的放大器的輸入來自于一個3dB耦合器，這個3dB耦合器產生兩路相位上正交的信號，兩個相同的放大器的輸出又用相反連接的3dB耦合器合成輸出。這種結構的優點在于從兩個放大器產生的任何失配，反射回來通過耦合器到達輸入端口是反相的，因而抵消[1]。

1.2.1 偏置電路設計

偏置電路主要作用是給功率管提供合適穩定的靜態工作點，并且還不能影響到功放管的射頻電路，偏置電路采用1/4波長高阻抗的微帶線實現，在微帶線上并聯幾個電容濾除不必要的雜波，提高整個電路的穩定性[5]。

由于功放管的靜態工作點隨溫度變化呈現正溫度系數變化趨勢使得功率放大器的線性度受到影響，所以需要在柵壓偏置電路中采取溫度補償措施，穩定功放管的靜態工作點。采用硅開關二極管，其正向導通壓降為0.7V，其導通壓降隨溫度變化呈負溫度系數變化趨勢。通常，當溫度升高時，此類二極管的導通壓降會以約2mV/℃的斜率下降，使得功放管的柵極電壓降低，從而可抵消因溫度上升功放管本身工作電流上升的趨勢，穩定了靜態工作點。

1.2.2 匹配電路設計

對于外匹配大功率型功率管來說，最難的就是匹配電路的設計，本次設計工作頻段為2025MHz～2120MHz，大功率功放管大多是為無線通信設計的，其工作頻段為2110MHz～2170MHz，與本次設計要使用的頻段有一定的偏差，需要超頻段使用，這就給匹配電路設計帶來了一定的難度。為了解決這個難點，借助仿真軟件ADS進行匹配電路的設計，在匹配電路設計過程中采用超頻段匹配技術，選擇適合調試的電路形式。

匹配首先是要找到最佳的輸入阻抗與輸出阻抗，采用負載牽引法來確定最佳的輸入阻抗與輸出阻抗[6]。通過負載牽引，可以得到功放管在不同的輸出功率與不同的效率下的阻抗值，找到最大功率與最大效率的阻抗值，兩個阻抗值會略有不同，需要在設計過程折中考慮，選取最合適的阻抗值。利用負載牽引與源牽引，得到了最佳的源阻抗與負載阻抗，為了使功放管得到最大的輸出功率和效率，采用共軛匹配技術，利用ADS自帶的Smith原圖工具，將最佳的源阻抗與負載阻抗共軛匹配到50Ω，得到輸入輸出匹配電路。

對于輸入輸出匹配電路，有很多電路形式進行匹配，本文采用超頻段匹配技術，使用微帶線加電容的形式進行匹配電路設計，此種電路形式匹配帶寬相對比較寬，同時相對減小了整體電路尺寸，符合小型化設計要求，并且方便后期調試。得到的輸入匹配電路與輸入偏置電路如圖2，輸出匹配電路與輸出偏置電路圖3所示，可以看到輸入輸出匹配電路為微帶線加電容結構形式。

圖2 大功率放大器輸入匹配與輸入偏置電路圖

圖3 大功率放大器輸出匹配與輸出偏置電路圖

1.3 諧波平衡仿真及優化

將得到的輸入輸出匹配電路與偏置電路組合起來，得到了整個的電路圖，如圖4所示。然后利用諧波平衡法仿真[7]，仿真后得到結果，根據仿真結果再對電路進行優化，最后得到滿足指標要求的完整電路。輸出功率特性仿真結果如圖5所示，從仿真結果可以看到在輸入功率為42dBm時，輸出功率為315W，滿足設計要求。

圖4 大功率放大器仿真完整電路圖

圖5 大功率放大器輸出功率仿真結果示意圖

1.4 監測與控保電路

功率放大器晶體管是比較昂貴、比較脆弱的器件，對靜電、熱、射頻過載、輸出失配有很高的敏感性，因此設計過程中必須考慮如何保護功率放大器，實現功率放大器的健康管理。引起功率放大器失效的原因主要有電流過大，溫度過高，反射功率過大，因此需要針對這幾個失效的原因設計保護電路。狀態監測部分通過傳感器實時跟蹤功率放大器電流、溫度、發射功率的狀態，并將反映該狀態的數據傳給比較判斷部分；比較判斷部分對檢測得到的數據與預設的告警、保護門限進行比較，當狀態數據大于預設的告警、保護門限時，輸出命令至保護執行部分或者告警顯示部分，關斷驅動放大器與大功率放大器的柵壓，起到快速保護的作用。

2 加工、調試及性能測試

整個電路采用了小型化緊湊型設計，滿足了高功率放大器的小型化要求。本設計功率放大器具有很大的功率，信號傳輸介質為微帶線，為了更好地散熱，采用微帶線比較寬，散熱比較快的介質板，然后介質板緊密固定在紫銅盒體內，經過調研選用介電常數為2.55，厚度為0.762mm的板材。對于末級功放管的散熱問題，采用了高導熱系數的紫銅金屬屏蔽盒，末級功率管整體焊接在10mm厚紫銅板上，屏蔽盒通過高導熱系數的導熱硅脂貼在散熱器上，減小了接觸面的熱阻，然后合理優化強迫風冷通道。加工完成后的功率放大模塊實物圖如圖6所示。

圖6 功率放大器實物圖

根據設計的電路加工完成之后，最難的是通過調試實現其性能，因為仿真電路與實際電路有一定的差異，在調試過程中通過改變匹配電路中電容的大小與位置，實現其性能與技術指標。經過調試，功率放大器的各項指標都很好的滿足要求，測試結果如表1所示。

表1 測試結果

測試項目測試結果增益51.6dB輸出功率(P-1)315W效率40.5%增益平坦度(整個頻帶內)0.42dB三階交調-33.5dBc雜波抑制-69dBc

根據測試結果可以看到，設計的S頻段功放模塊各項指標都很好的滿足了設計要求，性能指標達到國內先進水平。對功率放大器來說，本身有很大的熱量，散熱問題是很重要的，所以在高溫環境下對功率放大器是很大的考驗。在正常情況下，晶體管中電子有序的直線移動，但是在高溫下，電子活躍度提高，到處亂跑，相互之間就會有阻礙和摩擦，導致能量的消耗，若散熱不好，溫度越來越高，導致增益與輸出功率大幅度降低，更嚴重就會燒毀管子。在嚴苛的55℃高溫環境下，工作狀態穩定之后，本設計的功放模塊工作正常，增益沒有波動，輸出功率能力沒有下降。

3 結束語

本文根據測控遙感系統的實際需要，利用仿真軟件ADS，采用超頻段匹配技術，設計并且實現了S頻段連續波300W固態功率放大器，滿足了大功率集成、小型化的高要求，并且實現了功率放大器的健康管理。通過實際的調試，最終測試結果很好地滿足了要求。設計的功率放大器已經在實際的工程項目使用，在實際的工程運用過程中，功率放大器技術指標正常，工作穩定，可靠性高。