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        S波段10 W LDMOS功率管匹配電路設(shè)計

        2013-02-26 09:39:58潘建華
        電子與封裝 2013年10期

        王 濤,潘建華,徐 政

        (無錫中微晶園電子有限公司,江蘇 無錫 214035)

        1 引言

        RF LDMOS功率管具有高輸出功率、高增益、高線性、良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于移動通信基站、數(shù)字廣播電視發(fā)射以及射頻通信領(lǐng)域[1]。其在國防科技和軍事通訊領(lǐng)域的作用顯得更加突出,在相控陣?yán)走_、機載艦載雷達領(lǐng)域作為發(fā)射通道的功率放大器,縮小了裝備的體積,減輕了重量,并且具有更高的可靠性及更長的使用壽命。

        阻抗匹配是LDMOS功率管應(yīng)用電路設(shè)計的關(guān)鍵任務(wù),射頻模塊的主要任務(wù)是在無相移的情況下確保最大功率傳輸[2]。阻抗匹配是通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)將初始的阻抗轉(zhuǎn)換至標(biāo)準(zhǔn)參考阻抗50 Ω或其他需要的阻抗。在實際的射頻電路設(shè)計中,大多數(shù)模塊的輸入輸出阻抗被匹配至50 Ω,其原因是幾乎所有的射頻測試模塊測試儀器均采用50 Ω作為標(biāo)準(zhǔn)參考阻抗。

        S波段LDMOS功率管經(jīng)常應(yīng)用在寬帶情況下,因此對LDMOS功率管外匹配電路設(shè)計的研究尤為重要。在窄帶和寬帶情況下的阻抗匹配方法基本相同。窄帶情況下,其中心頻率可以近似代表整個帶寬,所以阻抗匹配過程中只需要考慮一個頻點。寬帶情況下,初始阻抗在史密斯圓圖上是一段阻抗曲線而不是一個點。阻抗曲線上的每一個點代表帶寬內(nèi)每個頻率所對應(yīng)的阻抗值。寬帶匹配的主要分析放在從窄帶到寬帶的頻率擴展方法上。為了將終端阻抗匹配從窄帶變?yōu)閷拵ы憫?yīng),要壓縮回波損耗軌跡并把它移到史密斯圓圖的中心[3]。

        2 匹配電路設(shè)計方案

        2.1 偏置電路設(shè)計

        偏置網(wǎng)絡(luò)是線路設(shè)計關(guān)鍵的一環(huán),其主要有以下功能:(1)保持電路穩(wěn)定性,消除自激振蕩;(2)阻止射頻能量進入源極、漏極偏置電壓供應(yīng)線路;(3)阻止電源噪音到達場效應(yīng)管的源極和漏極;(4)在漏極提供高阻抗,使其對射頻主電路微波特性影響盡可能小,即不引入大的附加損耗、反射以及高頻能量沿偏壓電路的漏泄等,以保證在工作頻段內(nèi)得到最佳射頻性能[4]。圖1為LDMOS偏置網(wǎng)絡(luò)示意圖。

        圖1 LDMOS偏置網(wǎng)絡(luò)

        λ/4微帶線依靠旁路電容C8到C12取得接地的低阻抗通道。λ/4微帶線的電抗要至少大于管子的漏極阻抗的10倍,還需要考慮能夠承受漏極直流電流;L2盡可能大,以便在帶寬內(nèi)形成足夠高的阻抗,也需要能夠承受漏極直流電流,并且直流電阻要足夠小,從而消耗在電感兩端的直流電壓最小。λ/4微帶線和C8聯(lián)合使用大大降低出現(xiàn)在漏極偏置電壓供應(yīng)線路的載頻能量。λ/4微帶線在這個頻帶內(nèi)起阻礙作用,C8用來進一步壓制工作頻帶內(nèi)的射頻能量,把能量旁路至地。C8容值應(yīng)選成使其串聯(lián)諧振頻率FSR接近放大器工作頻率,在串聯(lián)諧振頻率時呈現(xiàn)低阻抗,射頻能量由它旁路到地。

        C9~C12主要用于直流電源的去耦,電容C9~C12的容值逐個下降,挑選時使它們在首尾相連的幾個頻段中的阻抗和感抗都低,因此它們對低于放大器工作頻帶的功率提供連續(xù)的旁路。在電容之間也可以使用鐵氧體磁珠,磁珠固有的Q值很低,因此可以在很寬頻帶上排除電源噪音,而且把各個電容元件分隔開來。

        2.2 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

        對于大功率LDMOS功率管,輸出匹配網(wǎng)絡(luò)用來實現(xiàn)功率管的輸入端口與信號源的共軛匹配,減小輸入信號的反射;輸出匹配用來完成功率管的輸出端口與負載之間的最大功率匹配。

        采用負載牽引測試技術(shù)得到LDMOS功率管在大信號狀態(tài)下最大輸出功率對應(yīng)的輸入阻抗及輸出阻抗。外匹配采用合適的拓撲網(wǎng)絡(luò),使LDMOS功率管的輸入阻抗與信號源阻抗匹配,輸出阻抗與負載阻抗匹配。在S波段,外匹配電路常用串聯(lián)阻抗階躍變化的微帶線,這種微帶結(jié)構(gòu)容易通過仿真軟件計算,仿真結(jié)果較為精確,而且這種電路結(jié)構(gòu)尺寸小,可以節(jié)省電路空間,并可以實現(xiàn)電路的寬帶特性。

        在3.1~3.4 GHz帶寬內(nèi),選擇靠近中心頻率的3.3 GHz頻點,串聯(lián)階躍阻抗微帶線,實現(xiàn)輸入阻抗匹配至源端阻抗50 Ω,輸出阻抗匹配至負載阻抗50 Ω,其匹配路徑如圖2所示。

        3 電路仿真及調(diào)試

        3.1 輸入匹配電路設(shè)計

        為改善3.1~3.4 GHz帶寬內(nèi)輸入端口的駐波,同時考慮偏置電路對匹配電路的影響,建立如圖3所示的ADS原理圖。該原理圖包含偏置電路,理想微帶線用實際微帶線代替。為了讓仿真軟件自動優(yōu)化仿真結(jié)果,把需要調(diào)諧的微帶線長度、寬度設(shè)置為變量,并設(shè)置調(diào)諧范圍。利用軟件的參數(shù)優(yōu)化控件,設(shè)置優(yōu)化變量為dB(S(1,1)),優(yōu)化目標(biāo)為dB(S(1,1))≤-15 dB。

        ADS軟件仿真優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。帶寬內(nèi)S11≤-13.5 dB,輸入端駐波VSWR≤1.53。

        仿真優(yōu)化的帶偏置電路外匹配電路的輸入匹配電路版圖如圖5所示。

        圖2 匹配路徑

        圖3 輸入匹配電路ADS原理圖

        圖4 輸入匹配電路仿真優(yōu)化結(jié)果

        3.2 輸出匹配電路設(shè)計

        同樣,為改善3.1~3.4 GHz帶寬內(nèi)輸出端口的駐波,同時考慮偏置電路對匹配電路的影響,建立如圖6所示的ADS原理圖。由于樣管輸出阻抗相比于輸入阻抗的離散性更小,設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)為dB(S(1,1))≤-20 dB。

        圖5 輸入匹配電路版圖

        圖6 輸出匹配電路ADS原理圖

        圖7 輸出匹配電路仿真優(yōu)化結(jié)果

        仿真優(yōu)化的帶偏置電路外匹配電路的輸出匹配電路版圖如圖8所示。

        圖8 輸出匹配電路版圖

        3.3 PCB板設(shè)計

        采用PCB版圖設(shè)計軟件Altium Designer 6.9繪制PCB版圖,LDMOS功率管的輸入、輸出匹配電路版圖參數(shù)已由ADS仿真得到。外匹配電路采用PCB板材參數(shù)為F4B-2,其介電常數(shù)為2.55,板材厚度為0.8 mm。根據(jù)繪制的PCB板版圖加工PCB板,后續(xù)在PCB板上安裝電容、電阻、電感元件后,完成外匹配電路的制作。圖9為LDMOS功率管外匹配電路PCB版圖。為方便調(diào)試,在微帶線旁邊畫一些調(diào)試用的小島。

        圖9 LDMOS功率管外匹配電路PCB版圖

        4 試驗結(jié)果

        圖10為完成調(diào)試的S波段LDMOS功率管外匹配電路照片。

        圖10 微波參數(shù)測試系統(tǒng)

        表1為S波段LDMOS功率管完成外匹配調(diào)試后的測試數(shù)據(jù),在3.1~3.4 GHz頻率范圍內(nèi),輸出功率大于13.8 W,功率增益大于12.4 dB,效率大于37.9%,輸入回波損耗小于-8.5 dB。

        表1 樣管在外匹配電路測試架上測試結(jié)果

        完成匹配電路調(diào)試后,采用負載牽引測試技術(shù)測試功率管在外匹配電路上輸出端口的駐波。功率管3.1~3.4 GHz帶寬內(nèi)各頻點的輸出端駐波列于表2。

        表2 帶寬內(nèi)各頻點的輸出端口駐波

        從結(jié)果看出,功率管在外匹配電路測試夾具上輸出端口具有良好的駐波特性,表明功率管外匹配電路調(diào)試狀態(tài)較理想。

        5 結(jié)論

        本文選擇中國電子科技集團公司第58研究所研制的S波段10 W LDMOS功率管,以內(nèi)匹配功率管大信號負載牽引測試提取的輸入阻抗、輸出阻抗為基礎(chǔ),利用微波仿真工具ADS設(shè)計輸入、輸出匹配電路匹配路徑,并用軟件的參數(shù)優(yōu)化控件,完成輸入匹配、輸出匹配電路的仿真,得到輸入匹配、輸出匹配電路版圖。參考外匹配電路設(shè)計結(jié)果,并根據(jù)調(diào)試金屬片在不同位置時微波參數(shù)的變化,經(jīng)過精心調(diào)試,使S波段LDMOS功率管輸入回波損耗、增益、增益平坦度、輸出功率、效率、諧波等技術(shù)指標(biāo)達到設(shè)計要求。最終,采用負載牽引測試手段,驗證了功率管的外匹配電路輸入、輸出端口均有良好的駐波特性。完成匹配電路設(shè)計的S波段LDMOS功率管在3.1~3.4 GHz頻率范圍內(nèi),輸出功率大于13.8 W,功率增益大于12.4 dB,效率大于37.9%,輸入回波損耗小于-8.5 dB。

        [1] 黃曉蘭,等. 功率RF LDMOS的關(guān)鍵參數(shù)研究[J].半導(dǎo)體學(xué)報,2006,12.

        [2] M M 拉德馬內(nèi)斯. 射頻與微波電子學(xué)[M]. 北京:科學(xué)出版社,2006.

        [3] Richard Chi-Hsi Li. 射頻電路工程設(shè)計[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2011.

        [4] 耦合,隔直和旁路電容的精度選擇[J].MPD微波產(chǎn)品文摘,2001, 09.

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