解冰一，李春輝

(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)

S頻段200 W功率合成放大器設(shè)計(jì)

解冰一，李春輝

(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)

針對(duì)功率放大器調(diào)試?yán)щy的問(wèn)題，采用ADS軟件設(shè)計(jì)功率放大器。利用負(fù)載牽引方式尋找功率管在工作頻段內(nèi)的最佳匹配點(diǎn)，進(jìn)行電路匹配設(shè)計(jì)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了功率放大器各項(xiàng)指標(biāo)要求。最終的實(shí)物測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了仿真的真實(shí)性和有效性。采用熱管散熱技術(shù)，將功率管結(jié)溫控制在155.2 ℃的安全工作溫度。為實(shí)現(xiàn)大功率輸出，采用3 dB電橋功率合成技術(shù)，并對(duì)2條合成鏈路進(jìn)行幅度和相位一致性控制，在所需頻段達(dá)到200 W以上的功率輸出。

ADS仿真；功率合成；負(fù)載牽引；電路匹配

0 引言

功率放大器是發(fā)射機(jī)中的重要部件，在衛(wèi)星通信、遙控遙測(cè)、雷達(dá)和電子對(duì)抗中應(yīng)用廣泛[1]。近些年，航天測(cè)控技術(shù)飛速發(fā)展，對(duì)功率放大器的功率需求越來(lái)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在百瓦級(jí)功放設(shè)計(jì)中已占據(jù)主導(dǎo)地位[3]。使用LDMOS功率管，采用3 dB電橋合成技術(shù)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

本文使用LDMOS功率管，采用3 dB電橋合成技術(shù)設(shè)計(jì)了一種S頻段固態(tài)功率放大器。

1.1 器件選型設(shè)計(jì)

目前常用的微波功率半導(dǎo)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(diǎn)，但是其工作電壓比較高，通常為48 V，對(duì)電源部分的設(shè)計(jì)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(jià)格昂貴，線性相對(duì)較差。LDMOS功率管輸出功率大，回退線性好，價(jià)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(lǐng)導(dǎo)者，在此選用飛思卡爾公司的功率管MRF7S21150HR3，其手冊(cè)中最低只給出頻率2 060 MHz的指標(biāo)，需要通過(guò)仿真和后期調(diào)試跨頻帶實(shí)現(xiàn)所需頻段的功率輸出。

1.2 功率合成設(shè)計(jì)

由于單管輸出功率不夠，需要通過(guò)雙管合成的方式實(shí)現(xiàn)200 W的功率輸出，在此選用3 dB電橋合成方式實(shí)現(xiàn)的平衡合成放大器，實(shí)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(gè)優(yōu)點(diǎn)：① 可以改善放大器的駐波，提高放大器穩(wěn)定性；② 二級(jí)放大器間隔離度好，單級(jí)放大器的損壞只會(huì)造成增益下降6 dB，不會(huì)使放大器整體失效[7]。

平衡合成放大器由2個(gè)大功率3 dB電橋和2個(gè)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(hào)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(jìn)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(shè)計(jì)中，相比于幅度不一致性，相位不一致性對(duì)合成效率的影響更大，應(yīng)盡量將2個(gè)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(jié)構(gòu)和熱設(shè)計(jì)

功放的熱設(shè)計(jì)是功放能否穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注熱設(shè)計(jì)。熱設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是：既能滿足熱性能指標(biāo)，又能達(dá)到電性能要求，所用冷卻代價(jià)最小，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠。采用熱管與強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)合的技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)熱管，配合大功率風(fēng)扇，對(duì)功放模塊有效散熱，其散熱功率可高達(dá)幾百W。熱管是依靠?jī)?nèi)部工質(zhì)蒸發(fā)和冷凝的相變過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)散熱的散熱元件，具有優(yōu)良的等溫性、高熱傳導(dǎo)能力、無(wú)失效部件，熱管的蒸汽與液體通道可以分離、無(wú)噪聲、不需要復(fù)雜的維修及保養(yǎng)。功率放大器實(shí)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(cè)中可以查到管子結(jié)溫正常工作的最高溫度為225 ℃，但溫度過(guò)高其可靠性指標(biāo)將會(huì)下降，導(dǎo)致功放壽命降低。因此，功放管長(zhǎng)期工作下結(jié)溫要控制在170 ℃以內(nèi)，其可靠性將提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖2 熱管分布

下面對(duì)功率管MRF7S21150H滿功率工作狀態(tài)下的結(jié)溫溫度進(jìn)行分析[10]。單管滿功率輸出最大為150 W，效率為45%，此時(shí)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(duì)盒體進(jìn)行熱仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 熱仿真結(jié)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(jié)溫可達(dá)到83.7 ℃+71.5 ℃=155.2 ℃，低于之前可長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的170 ℃，并且有一定余量，在此條件下MRF7S21150HR3可以長(zhǎng)期的穩(wěn)定工作。

2 關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)

功率放大器是采用合成方式實(shí)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。從以下幾個(gè)方面來(lái)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(luò)，盡量減少后期調(diào)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(lái)的不一致性；

③ 盡量采用微帶開路短截線進(jìn)行輸入輸出電路匹配，可有效降低小電容值匹配時(shí)容值誤差對(duì)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(guò)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(shè)計(jì)

3.1 靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇

靜態(tài)工作點(diǎn)的選取直接關(guān)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(guò)仿真確定柵極電壓為VGS=2.75 V，在實(shí)際電路再對(duì)柵極電壓進(jìn)行微調(diào)，以保證正確的靜態(tài)工作電流[11]。

3.2 匹配電路設(shè)計(jì)

匹配電路設(shè)計(jì)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(guò)源牽引和負(fù)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(gè)值，設(shè)計(jì)匹配電路，采用微帶開路短截線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)[15]。

圖4 負(fù)載牽引和源牽引仿真結(jié)果

3.3 完整電路優(yōu)化仿真

將設(shè)計(jì)好的阻抗匹配電路和偏置電路整合起來(lái)，對(duì)整體的電路進(jìn)行諧波平衡仿真。因?yàn)樵谥白杩範(fàn)恳O(shè)計(jì)中都是針對(duì)單點(diǎn)頻進(jìn)行的，通常此時(shí)得到的結(jié)果帶寬很窄，為了增加帶寬，就要對(duì)某些元件的參數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)犧牲某個(gè)點(diǎn)頻的性能實(shí)現(xiàn)寬帶設(shè)計(jì)。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(shè)為可以優(yōu)化的元件，然后對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行優(yōu)化仿真。待各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求后，再進(jìn)行板圖電路仿真，最終的仿真結(jié)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(dòng)在1 dB范圍以內(nèi)。在整個(gè)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(jié)果

圖6 輸出功率和效率仿真結(jié)果

4 性能測(cè)試結(jié)果及分析

上述仿真是針對(duì)單管進(jìn)行的，在實(shí)際加工中需要通過(guò)合理布局在同一塊電路板中實(shí)現(xiàn)2個(gè)完全相同功率放大器模塊的合成，同時(shí)要充分考慮到供電和檢波的方便。實(shí)際加工出的功率放大器內(nèi)部布局如圖7所示。對(duì)放大器的指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

圖7 200 W功率放大器實(shí)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(cè)試結(jié)果可以看出，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，但功率輸出值比仿真設(shè)計(jì)值偏小。根據(jù)單管仿真結(jié)果與合成效率分析功率合成后，輸出功率應(yīng)該大于240 W，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果有一定差異。主要有兩方面的原因：① 印制板加工過(guò)程中微帶線尺寸存在誤差，導(dǎo)致單管輸出功率偏低；② 2條放大鏈路中一些不可預(yù)見(jiàn)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(jié)束語(yǔ)

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(shí)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(duì)于大功率的合成，對(duì)合成鏈路的幅度和相位一致性要求非常嚴(yán)格，文中的幾種關(guān)于一致性的控制方法對(duì)合成型功放設(shè)計(jì)有很大的參考價(jià)值。此次功率放大器的成功設(shè)計(jì)，證實(shí)了ADS仿真作為功放研制的前期設(shè)計(jì)工具的有效性。通過(guò)ADS設(shè)計(jì)功放匹配電路可大大減少功放設(shè)計(jì)人員后期繁瑣的匹配電路調(diào)試工作，提高工作效率。

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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(shè)計(jì)[J].無(wú)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(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)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(jí)工程師。主要研究方向：微波功率放大器。