敦書波，楊 懿，魏利郝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

微波功率放大器［1］在導(dǎo)航、雷達(dá)、衛(wèi)星通訊、無(wú)線通信和電子對(duì)抗設(shè)備等系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛［2］，是現(xiàn)代無(wú)線通信的關(guān)鍵設(shè)備。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，微波功率放大器扮演著重要的角色［3，4］，其技術(shù)性能的好壞直接影響通訊系統(tǒng)的通訊質(zhì)量和通訊距離等技術(shù)指標(biāo)［5］。微波固態(tài)功率放大器由其自身的高可靠性和長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，越來(lái)越受到通訊系統(tǒng)的青睞，其技術(shù)發(fā)展也越來(lái)越成熟［6］。

使用LDMOS功率管通過寬帶匹配技術(shù)［7］、徑向合成技術(shù)［8］和高效散熱技術(shù)［9］，研制了一種寬帶、大功率、固態(tài)、連續(xù)波功放，在L頻段輸出功率高于 1 500 W，增益大于 63 dB，諧波抑制高于32 dBc。

1 設(shè)計(jì)方案

功放整機(jī)輸出功率比較大，連續(xù)波1 500 W以上，采用單只功率管無(wú)法滿足指標(biāo)要求，因此需要進(jìn)行功率合成。目前此頻段的大功率BJT晶體管、LDMOS功率管多為脈沖形式，連續(xù)波工作得很少;在附近頻段920～960 MHz有大功率的LDMOS功率管，由于工作頻帶不一樣，需要跨頻帶匹配才能使用;第三代半導(dǎo)體GaN功率管輸出連續(xù)波功率在100 W左右，效率在45%左右，但其價(jià)格比較高，雖然隨著國(guó)外生產(chǎn)線成品率的提升其價(jià)格比剛開始下降了不少，但仍是同頻段同等功率LDMOS功率管價(jià)格的5倍左右，甚至更高。綜合考慮，最終使用臨近頻帶的大功率LDMOS功率管研制了此頻段150 W功率模塊，通過多次功率合成實(shí)現(xiàn)整機(jī)連續(xù)波1 500 W功率輸出。

功放整機(jī)輸出功率比較大，機(jī)箱比較多，包含電源共計(jì)7個(gè)機(jī)箱:1個(gè)推動(dòng)機(jī)箱、2個(gè)末級(jí)機(jī)箱和4個(gè)電源機(jī)箱，另外還有COM0912四合路及耦合器和檢波器等部件，具體原理框圖如圖1所示。

輸入小信號(hào)進(jìn)入推動(dòng)機(jī)箱，經(jīng)過放大后輸出4路完全一樣的中功率信號(hào)，4路信號(hào)進(jìn)入末級(jí)機(jī)箱進(jìn)行放大，放大后的4路信號(hào)進(jìn)入COM0912四合路及耦合器完成大功率合成，同時(shí)耦合出前向、反向小信號(hào)通過檢波器后進(jìn)入推動(dòng)機(jī)箱完成整機(jī)控制。

圖1 功放原理

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

2.1 功率管的選擇

在L頻段大功率的功率管多為脈沖工作方式，使用在連續(xù)波環(huán)境下比較少，大功率輸出的功率幾乎沒有，經(jīng)過多方調(diào)研最終選用臨近頻帶的大功率LDMOS晶體管，采用跨頻帶匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬頻帶大功率匹配，實(shí)現(xiàn)頻帶在960～1 215 MHz的大功率輸出。

2.2 全面的控制保護(hù)電路

作為一個(gè)具體的功率放大器系統(tǒng)，為了保證整機(jī)良好可靠的工作，需要對(duì)功率放大部分進(jìn)行監(jiān)視以及對(duì)一些意外情況做出及時(shí)反應(yīng)，以最大限度地保護(hù)整機(jī)和方便地排除故障［10］。設(shè)計(jì)過程中采用了過溫保護(hù)、過激保護(hù)、過波比保護(hù)和過流保護(hù)等，整機(jī)采用多路合成的方式實(shí)現(xiàn)高功率輸出，為了檢測(cè)合成的各支路是否損壞，設(shè)計(jì)了不平衡保護(hù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)合成各路的平坦度，保護(hù)功放整機(jī)。

3 設(shè)計(jì)仿真

3.1 L150放大器設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)研及大量的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，選擇220 W的LDMOS功率管，該功率管使用頻帶為920～960 MHz，在標(biāo)稱頻帶內(nèi)增益大于17.5 dB、單音輸出功率大于200 W，經(jīng)過跨頻帶匹配后在960～1 215 MHz頻帶內(nèi)單音輸出功率大于120 W、增益大于14.5 dB、多音信號(hào)120 W輸出時(shí)工作正常，可以作為L(zhǎng)150放大器末級(jí)放大。為了滿足使用要求，末級(jí)采用2路功率管合路方式，使用180°分/合路方式，增加偶次諧波抑制;推動(dòng)級(jí)選擇Freescale公司的30 W的LDMOS功率管MRF284作為推動(dòng)級(jí)，為了減小級(jí)間的牽引，在放大器入口和2級(jí)放大之間使用隔離器進(jìn)行隔離，電路圖如圖2所示。

圖2 L150放大器原理

由于LDMOS功率管廠家沒有大信號(hào)模型，也沒有給出使用頻帶的S參數(shù)或阻抗參數(shù)，因此只能采用動(dòng)態(tài)阻抗法，通過實(shí)際對(duì)每個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行功率測(cè)試，并記錄每個(gè)點(diǎn)的最大功率、增益的匹配電路，通過對(duì)匹配電路的計(jì)算獲取功率管每個(gè)頻點(diǎn)的實(shí)際阻抗值，通過共軛匹配法對(duì)全頻帶進(jìn)行阻抗匹配實(shí)現(xiàn)寬帶匹配，使用ADS計(jì)算出功率管的阻抗如表1所示。

表1 LDMOS功率管阻抗

為了使功率管的輸出功率、增益達(dá)到最佳值，需要采用共軛匹配技術(shù)［11］。實(shí)現(xiàn)共軛匹配的條件為:

這些條件被稱為同時(shí)共軛匹配條件。當(dāng)輸入和輸出匹配時(shí)，可以得(VSWR)IN=(VSWR)OUT，此時(shí)功放的輸出功率最大。

在低頻段通常采用集總參數(shù)元器件進(jìn)行匹配，在高頻段通常采用微帶線進(jìn)行匹配，也可以采用微帶線和集總參數(shù)元器件混合式進(jìn)行匹配。本方案中要進(jìn)行多模塊功率合成，需要保證模塊之間的幅度/相位一致性，為了減少后期的調(diào)試難度，全部采用微帶電路進(jìn)行阻抗匹配。

第2級(jí)功率管需要進(jìn)行功率合成，為了提高偶次諧波抑制，采用180°的分合路方式，傳統(tǒng)的巴倫的加工和裝配很難保證一致性，為了提高模塊的一致性指標(biāo)，采用了微帶巴倫［11］進(jìn)行分合路。

第1級(jí)使用功率管MRF284，F(xiàn)reescale廠家功率管的ADS大信號(hào)模型，根據(jù)此模型使用ADS仿真軟件搭建直流偏置電路圖、匹配電路圖，對(duì)功率管進(jìn)行仿真，并使用諧波平衡法對(duì)匹配電路進(jìn)行分析，檢驗(yàn)電路的壓縮特性、非線性特性、穩(wěn)定性是否滿足指標(biāo)要求，如果不滿足，再對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)直到指標(biāo)滿足要求。

3.2 推動(dòng)級(jí)放大模塊設(shè)計(jì)

末級(jí)模塊L150放大器的增益大于21 dB，2次四分路四合路及連接電纜的損耗最大為3 dB，為了保證末級(jí)模塊獲得足夠的推動(dòng)功率，推動(dòng)級(jí)放大模塊的輸出功率P≥1500 W-21 dB+3 dB≥24 W，G≥45 dB，為了留有一定余量，推動(dòng)級(jí)放大模塊設(shè)計(jì)為50 W的放大器。

為了保證整機(jī)的線性度指標(biāo)，采用功率回退法實(shí)現(xiàn)。模塊要求輸出功率為50 W，諧波抑制大于40 dBc，根據(jù)指標(biāo)設(shè)計(jì)電路，50 W推動(dòng)級(jí)電路采用和L150放大器電路形式基本一樣，末級(jí)采用MRF284和LDMOS功率管進(jìn)行放大，但工作電壓降到+13 V，L頻段50 W放大器采用4級(jí)放大電路，分別為ERA-51、MRF281、MRF284和LDMOS功率管。其中后2路采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，第1級(jí)分合路采用威爾金森同相形式，第2級(jí)采用微帶巴倫180°形式，提高偶次諧波抑制。

L150放大器的輸出功率計(jì)算為150 W，按電壓的平方和輸出功率成正比的關(guān)系，2只工作在+13 V的LDMOS功率管合路輸出功率應(yīng)為:

合路損耗按0.3 dB計(jì)算，工作在+13 V的4只功率管進(jìn)行合成輸出功率大于60 W，因此模塊工作狀態(tài)回退了3 dB，2次諧波抑制在30 W狀態(tài)下比滿功率高3 dB，3次和3階互調(diào)比滿功率時(shí)高6 dB。

3.3 COM0912四合路及耦合器設(shè)計(jì)

四合路器采用不帶隔離電阻的徑向n路分/合路器電路形式。4路支路直接采用徑向形式合成，合路點(diǎn)轉(zhuǎn)為同軸線形式，其合路點(diǎn)的實(shí)際阻抗為12.5 Ω，為了實(shí)現(xiàn)匹配，采用多節(jié)的1/4波長(zhǎng)線進(jìn)行阻抗變換。

耦合器采用同軸線耦合方式，因?yàn)楣β史糯笃鞴ぷ鞯念l帶為250 MHz，使用一節(jié)1/4波長(zhǎng)的耦合線即可滿足使用要求。為了保證前向耦合和反向耦合互不影響，耦合器采用雙耦合方式，即2組完全一樣的耦合器，一組用于前向耦合檢測(cè)，另一組用于反向耦合檢測(cè)。

為了節(jié)省空間，整機(jī)的四合路器與耦合器設(shè)計(jì)在了一起，使用HFSS仿真如圖3所示。

圖3 四合路及耦合器的級(jí)聯(lián)仿真建模

3.4 結(jié)構(gòu)及散熱設(shè)計(jì)

功放最終整機(jī)占用31U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜空間，其中4臺(tái)電源使用12U空間，2個(gè)末級(jí)機(jī)箱共占用14U空間，推動(dòng)機(jī)箱用1個(gè)5U空間。推動(dòng)機(jī)箱和末級(jí)機(jī)箱使用高效散熱器，散熱器安裝在機(jī)箱中間，放大器模塊等部件安裝在散熱器上下兩面，利于整機(jī)的散熱。

使用Icepark軟件研制的高效散熱器(肋片厚度1 mm，肋片孔洞88 mm，底座10 mm)，并對(duì)機(jī)箱進(jìn)行優(yōu)化仿真。L150放大器放置在散熱器前端進(jìn)風(fēng)口處，風(fēng)扇采用480 m3/h大風(fēng)量風(fēng)扇，采用抽風(fēng)的工作方式。通過仿真計(jì)算結(jié)果得出，在環(huán)境溫度為55℃時(shí)，功率管溝道溫度為179.75℃，溝道最高允許溫度為200℃，因此功率管可以穩(wěn)定可靠地工作。

4 性能測(cè)試

功放設(shè)計(jì)加工完成后先后對(duì)各模塊進(jìn)行了調(diào)試，整機(jī)級(jí)聯(lián)安裝后對(duì)進(jìn)行了大量的調(diào)試，并進(jìn)行高低溫試驗(yàn)測(cè)試，最終的整機(jī)測(cè)試結(jié)果如表2所示，其中，頻率為 960 MHz時(shí)，輸入駐波比為1.3∶1;頻率為1 215 MHz時(shí)，諧波抑制為32 dBc。

表2 整機(jī)測(cè)試結(jié)果

5 性能測(cè)試結(jié)果分析

由整機(jī)的測(cè)試結(jié)果分析，L頻段1 500 W連續(xù)波固態(tài)功放的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足系統(tǒng)要求，并通過了環(huán)境試驗(yàn)測(cè)試，在-20～+55℃的高低溫環(huán)境下各項(xiàng)指標(biāo)變化不大，均滿足要求。功放整機(jī)的設(shè)計(jì)包含了全面的控制保護(hù)電路，測(cè)試過程中對(duì)整機(jī)的各項(xiàng)保護(hù)都進(jìn)行了測(cè)試。

整機(jī)最后合成采用不帶隔離的徑向合路器，如果某一放大鏈路由于模塊的損壞功率降低而牽引到其他幾路的輸出功率，形成不穩(wěn)定狀態(tài)有可能進(jìn)一步損壞其他沒有故障的模塊，因此整機(jī)設(shè)計(jì)了不平衡保護(hù)和4路放大鏈路的高駐波保護(hù)電路。通過人為地將某一路模塊斷電造成模塊損壞的現(xiàn)象測(cè)試，整機(jī)的不平衡保護(hù)、損壞的放大鏈路高駐波保護(hù)均啟動(dòng)了保護(hù)措施，保護(hù)了其他模塊。

6 結(jié)束語(yǔ)

上述使用ADS、HFSS和Icepark等軟件進(jìn)行優(yōu)化仿真，研制了L頻段1 500 W功率放大器，通過實(shí)際測(cè)試功放各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求?？紤]成本問題，選用了LDMOS功率管，通過寬帶匹配實(shí)現(xiàn)大功率輸出，實(shí)際使用表明其工作穩(wěn)定，可靠性高，具有很高的工程實(shí)用價(jià)值。但其效率較低，如果對(duì)效率要求苛刻，需要采用效率更高的第三代半導(dǎo)體進(jìn)行放大器研制。

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