李春輝，解冰一

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著射頻數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，特別是模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC/DAC)采樣速率的迅速提高(目前射頻輸入帶寬已達6 GHz)和工程應用，為航天測控系統(tǒng)采用全數(shù)字化方案提供了可能。采用全數(shù)字化技術(shù)，傳統(tǒng)航天測控系統(tǒng)的信道變頻設備會被大幅簡化或消失，只剩下接收鏈路的低噪聲放大器和發(fā)射鏈路的固態(tài)功率放大器等設備。固態(tài)功率放大器相比于傳統(tǒng)的電真空功率放大器，具有體積小、可靠性高、工作電壓低、壽命長和安裝使用方便等優(yōu)點，在kW級功放設計中已占據(jù)主導地位[1-2]。

室外型固態(tài)功率放大器直接安裝在天線叉臂上，與室內(nèi)型相比，簡化了大功率饋線系統(tǒng)，即功放輸出功率直連到饋源發(fā)射端口，饋線中不再串入方位軸和俯仰軸的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，饋線損耗低，駐波和可靠性得到改善。小體積室外型高效率固態(tài)功率放大器就成為發(fā)射鏈路的重要設備。能研制出滿足指標要求和用戶需求的大功率、高效率和高線性度的室外型固態(tài)功率放大器就尤為重要了。

1 總體設計

目前，S頻段LDMOS型單管最大輸出功率約350 W，考慮降額設計、熱耗散等因素，要實現(xiàn)800 W以上的功率輸出，功率合成是唯一的技術(shù)途徑[3-4]。通過二進制樹型結(jié)構(gòu)功率合成網(wǎng)絡、鏈式結(jié)構(gòu)合成網(wǎng)絡和多路功率進行一次性合成的徑向功率合成網(wǎng)絡的對比分析，采用8路徑向功率合成方案，同時使用移相技術(shù)輔助，用LDMOS功率管設計了室外型S頻段800 W固態(tài)功率放大器[5-6]。

1.1 高密度大功率合成設計

由前述可知，要實現(xiàn)S頻段800 W以上的功率輸出，功率合成是唯一的技術(shù)途徑。功率合成就是利用由微帶電路構(gòu)成的功分/合成網(wǎng)絡將輸入信號等幅分為n路，并按照一定的相位關(guān)系分配至n個由單管級聯(lián)組成的放大鏈路進行功率放大，再通過合成網(wǎng)絡將各路放大鏈路的輸出功率進行累加，總輸出功率約為放大鏈路的末級單管額定輸出功率的n倍，以突破單個功率器件輸出功率不足的限制。

功率分配/合成網(wǎng)絡的損耗決定了合成放大器的合成效率，基于微帶電路的功率分配/合成網(wǎng)絡，損耗會隨著頻率的升高而加大。特別是在多路合成網(wǎng)絡中，損耗會隨著合成路數(shù)的增加而成指數(shù)增長，這將會大幅降低整機合成效率，過大的損耗甚至會使合成型放大器失去應用的意義。目前，S頻段功率合成的方式較多，大致可以分為4類：利用半導體芯片串聯(lián)或并聯(lián)的芯片級合成、利用二進制樹型結(jié)構(gòu)功率合成網(wǎng)絡、鏈式結(jié)構(gòu)合成網(wǎng)絡和多路功率進行一次性合成的徑向功率合成網(wǎng)絡以及利用以上技術(shù)的混合合成技術(shù)等[7]。

綜合考慮輸出功率、合成效率、安裝結(jié)構(gòu)和工程實現(xiàn)性等因素，采用徑向功率合成方式來實現(xiàn)室外型S頻段800 W功放，原理如圖1所示。主要有2個優(yōu)點：路徑損耗低、合成效率高；單路放大單元模塊損壞只會造成輸出功率下降，不會整機失效。高可靠性的徑向功率合成技術(shù)，對減少電源消耗、降低設備散熱要求、提高設備可靠性、降低使用和維護成本都有重要意義。

圖1 8路徑向功率合成原理

功率分配器將輸入信號分成等幅、同相的8路信號后送8路放大單元進行功率放大，再將8路放大單元輸出的150 W功率采用徑向功率合成方式合成一路后輸出，實現(xiàn)800 W額定功率輸出。在放大單元設計中，相比于幅度不一致性，相位不一致性對合成效率影響更大，應盡量將8個放大單元模塊的相位差控制在10°以內(nèi)[8-9]，為便于相位一致性補償，每個放大單元都設置有相位控制模塊，實現(xiàn)相位一致性校正。

針對目前所使用的S頻段功率管的性能特點，在匹配電路、供電偏置等方面進行改良設計，提升功放的工作效率，以減小整機功耗和發(fā)熱量。主要技術(shù)途徑如下：

(1) 功率管大信號末端匹配技術(shù)

目前，S頻段功率管均為寬帶(300 MHz)放大器件，其匹配電路均是針對全頻段內(nèi)的綜合指標設計。如在特定頻段內(nèi)有針對性地設計匹配電路，可在此頻段范圍內(nèi)提升芯片的輸出功率及效率等性能。

一般功率管供應商提供不了準確的大信號模型。但可以通過負載牽引系統(tǒng)獲得功放芯片在指定功率下的匹配負載阻抗和源端阻抗測試系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 負載牽引系統(tǒng)原理

根據(jù)負載牽引系統(tǒng)獲得負載阻抗和源端阻抗進行匹配電路設計，得到合適的輸出功率，再通過仿真軟件建立完整的芯片有源模型，針對其特性，設計適當?shù)哪┒似ヅ潆娐?，在不惡化功率管輸出功率等主要指標條件下，改變其工作匹配點，在特定頻段內(nèi)提升輸出功率和工作效率[10]。

(2) 放大單元模塊的幅相一致性分析

影響放大單元模塊的相位、幅度一致性的因素較多，其與小信號微波放大器不同，作為功率放大器，要求其輸出功率較大、效率高和線性好，同時還有合適的帶寬、增益、線性度和穩(wěn)定性的要求。固態(tài)功放由多級放大器級聯(lián)組成，級間匹配、帶寬、增益、線性度和穩(wěn)定性等均需統(tǒng)籌考慮。由于固態(tài)功放工作時處在大信號狀態(tài)，信號放大過程中會產(chǎn)生非線性失真和調(diào)幅/調(diào)相變換效應，進而影響相位，在設計時需要著重考慮影響非線性失真和相移的一些因素。每級放大器的幅度、相位特性將直接影響放大單元的幅相一致性。單級放大器由輸入匹配網(wǎng)絡、功率管和輸出匹配網(wǎng)絡組成，因此，合理選擇功率管及其工作狀態(tài)、精心設計匹配網(wǎng)絡是保證放大單元幅相一致性的關(guān)鍵。

1.2 結(jié)構(gòu)和熱設計

大功率固態(tài)功放的熱設計是功放能否穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，在結(jié)構(gòu)設計上應重點關(guān)注熱設計。熱設計的最終結(jié)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(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠[11]。采用均熱板與強迫風冷結(jié)合的技術(shù)[7]，通過設計均熱板，配合風扇，對8路放大單元模塊有效散熱。均熱板具有優(yōu)良的等溫性、高熱傳導能力、無失效部件、不需要復雜的維修及保養(yǎng)等優(yōu)點。功率放大器實物盒體和均熱板分布如圖3所示。

圖3 箱體和均熱板分布

室外型S頻段800 W固態(tài)功率放大器的整機外形尺寸為：533 mm×710 mm×343 mm(各向最大尺寸)，目前為國內(nèi)公開的最小尺寸。電源在機箱的上側(cè)，電源出口位于整個機箱的中部，方便為各個模塊供電。8路放大單元模塊均勻分布在機箱的兩側(cè)，徑向合成器安裝在機箱上側(cè)，用硬連接的方式直接與機箱的面板大功率輸出插座連接，降低饋線損耗。

在環(huán)境溫度55 ℃條件下，對機箱進行熱仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，安裝功率管的箱體均熱板最高溫度為85 ℃，由功率管手冊推算末級功率管的最小溫升為70 ℃，則末級功率管最高結(jié)溫為低于其長期穩(wěn)定工作的溫度170 ℃，且有一定余量，能夠長期穩(wěn)定工作。針對室外型結(jié)構(gòu)，除滿足熱設計外，箱體結(jié)構(gòu)以及插頭、插座應該滿足防水、防鹽霧、防雪、防塵以及抗振動要求。

圖4 熱仿真結(jié)果

2 關(guān)鍵技術(shù)及難點

室外型S頻段800 W固態(tài)功率放大器采用徑向功率合成方式實現(xiàn)，8路放大單元的幅度和相位一致性將直接影響合成效率，如何保證8路放大單元的幅度和相位一致性是設計的關(guān)鍵和難點[12]。從以下幾方面來控制各放大單元之間的幅度和相位一致性：

① 利用ADS仿真軟件優(yōu)化放大單元的輸入、輸出匹配網(wǎng)絡，盡量減少后期調(diào)試工作；

② 功率管柵極偏置電壓采取溫度補償措施，提高靜態(tài)工作點在高低溫條件下的穩(wěn)定性；

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 利用數(shù)控移相器修正各放大單元間相位誤差；

⑤ 功率管采用同批次產(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，8路放大單元的相位一致性能夠控制在±5°以內(nèi)，幅度一致性控制在±0.5 dB以內(nèi)，最終的合成效率大于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(guān)系到功率管的工作方式，為保證功率管的線性度，要求功率管工作在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VGS=2.75 V，在實際電路中再對柵極電壓進行微調(diào)同時采取溫度補償措施，以保證高低溫環(huán)境下正確的靜態(tài)工作電流。

3.2 匹配電路設計

匹配電路設計的核心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，即將輸入輸出阻抗匹配到阻抗圓圖的中心附近[13-14]。 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，如圖5所示，仿真得到末級功率管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(jié)構(gòu)實現(xiàn)。

圖5 負載牽引和源牽引仿真結(jié)果

3.3 完整電路優(yōu)化仿真

將設計好的阻抗匹配電路和偏置電路整合起來，對整體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頻點進行的，通常此時得到的結(jié)果是帶寬較窄，為了增加帶寬，需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[15-16]。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(jié)果如圖6和圖7所示。由圖可知8路放大單元使用的末級功率管在2 020～2 125 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150 W，效率在45%以上。

圖6 增益仿真結(jié)果

圖7 輸出功率和效率仿真結(jié)果

3.4 同軸徑向功率合成器優(yōu)化仿真

同軸徑向功率合成器是一種類似Wilkinson N 路合成器的準平面、低損耗和電氣性能對稱的8路合成器。設計原理由Wilkinson N路合成器理論發(fā)展而來，克服了Wilkinson合成器在N>2時無法實現(xiàn)平面結(jié)構(gòu)的缺點[17-18]。同軸徑向功率合成器具有功率容量大、平衡性好和損耗低等優(yōu)點，其基本結(jié)構(gòu)形式是由標準射頻接頭通過一段阻抗?jié)u變線過渡到一個任意尺寸和特性阻抗的過模同軸傳輸線。在HFSS中建立一個簡化的仿真模型，如圖8所示。

圖8 徑向波導功率合成器

利用HFSS對此徑向波導功率合成器的S參數(shù)進行仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如圖9所示。從圖9可以看出，在2 000～2 200 MHz內(nèi)的傳輸系數(shù)大于9.07 dB(8路合成器理想傳輸系數(shù)為9.03 dB)，反射小于 -19.9 dB(VSWR≤1.25)。

圖9 同軸徑向功率合成器S參數(shù)仿真結(jié)果

4 性能測試結(jié)果及分析

對室外型S頻段800 W固態(tài)功率放大器的指標進行測試，結(jié)果如表1所示。

表1 室外型800 W固態(tài)功率放大器指標測試結(jié)果

技術(shù)指標測試數(shù)據(jù)工作頻段/MHz2 020～2 125P-1 dB輸出功率/W>800帶內(nèi)增益平坦度/dB-0.5≤Δ≤+0.5(±10 MHz內(nèi))≤1(整個工作帶內(nèi));三階交調(diào):(回退7 dB)-35 dBcAM/PM轉(zhuǎn)換≤0.9°/dB (P-1 dB輸出功率)雜波抑制≤-65 dBc(P-1 dB輸出功率)輸出駐波比≤1.351.25群時延線性:≤0.05 ns/MHz拋物線:≤0.004 ns/MHz2峰-峰:≤0.9 ns800 W輸出時電源功率220 V/8.6 A

由功率放大器的測試結(jié)果可以看出，各項指標均滿足設計要求，但最大功率輸出值比仿真設計值偏小。根據(jù)單級功率管仿真結(jié)果與合成效率分析功率合成后輸出功率應該大于1 070 W，實測結(jié)果與仿真結(jié)果有一定差異。主要原因有2個方面：① 印制板加工過程中微帶線尺寸存在誤差，導致單級功率管輸出功率偏低；② 8路放大單元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(jié)束語

基于功率模塊和徑向功率合成網(wǎng)絡實現(xiàn)了800 W以上功率輸出，整機效率高于40%，增益高于75 dB。同軸徑向功率合成器在多路功率合成中具有功率容量大、平衡性好和損耗低等優(yōu)點，利于實現(xiàn)高密度小體積的大功率合成。在功率模塊設計中的幾種關(guān)于幅度、相位一致性的控制方法對合成型功放設計有參考價值。此次室外型S頻段800 W固態(tài)功率放大器的設計成功以及工程上的應用，為航天測控系統(tǒng)采用全數(shù)字化方案，簡化發(fā)射鏈路設計奠定了良好的基礎。