黨 博

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所 鄭州 450047)

0 引言

在信號(hào)與信息傳輸系統(tǒng)中，不管傳輸介質(zhì)是空氣、傳輸線、光纖還是波導(dǎo)，在信號(hào)的傳輸過(guò)程中都會(huì)有損耗，因此在信號(hào)的發(fā)射末端需要把被發(fā)送的信號(hào)進(jìn)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(dá)、導(dǎo)航、遙測(cè)遙控遙感、空間技術(shù)等信號(hào)傳輸系統(tǒng)都需要功率放大器。

現(xiàn)代測(cè)控遙感系統(tǒng)中，對(duì)功率放大器提出了更高的要求，要求大功率集成，小型化設(shè)計(jì)[2]，并且還要實(shí)現(xiàn)健康管理。本文根據(jù)測(cè)控遙感系統(tǒng)的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了一款S頻段連續(xù)波固態(tài)功率放大器，采用超頻段匹配技術(shù)，具有連續(xù)波300W的大功率輸出，效率大于40%。并且具有電流監(jiān)測(cè)，溫度監(jiān)測(cè)，反射功率監(jiān)測(cè)，輸出功率監(jiān)測(cè)，還有電流過(guò)大保護(hù)，溫度過(guò)高保護(hù)，反射功率過(guò)大保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)了功率放大器的健康管理。該模塊采用了緊湊型電路設(shè)計(jì)，滿足了大功率集成、小型化的高要求，在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用了仿真軟件ADS進(jìn)行了匹配電路的設(shè)計(jì)，然后用諧波平衡法仿真整個(gè)電路，并且對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行優(yōu)化仿真，在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中又對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行了調(diào)整，最終完成了整個(gè)設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)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(bǔ)償衰減器、壓控衰減器、前置放大器、驅(qū)動(dòng)放大器、末級(jí)大功率放大器、環(huán)行器、檢測(cè)與控保電路組成。溫度補(bǔ)償衰減器主要用于補(bǔ)償由于溫度升高造成的整個(gè)鏈路增益下降；壓控衰減器主要用于調(diào)節(jié)整個(gè)鏈路的增益，用來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出功率的自動(dòng)設(shè)置；環(huán)行器主要用于保護(hù)末級(jí)大功率放大器，避免輸出不匹配導(dǎo)致反射功率過(guò)大燒毀末級(jí)功放管；檢測(cè)與控保電路主要是檢測(cè)功率放大器的狀態(tài)，并對(duì)功率放大器出現(xiàn)的異常狀態(tài)進(jìn)行控制保護(hù)，實(shí)現(xiàn)功率放大器的健康管理。

1.1 前級(jí)、驅(qū)動(dòng)放大電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)大功率集成，小型化設(shè)計(jì)，前級(jí)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(bǔ)溫度補(bǔ)償衰減器和壓控衰減器的增益損失。

驅(qū)動(dòng)功率放大器采用高增益的LDMOS功率管，減少了放大鏈路級(jí)數(shù)，降低器件數(shù)量，其增益大于30dB，輸出功率P-1≥44dBm。

1.2 大功率放大電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)調(diào)研查閱資料，大功率放大器選擇了LDMOS功率管，LDMOS功率管相對(duì)于雙極性晶體管具有較高的功率增益，較高的可靠性，優(yōu)良的熱性能[3]。由于LDMOS功率管在大電流范圍的跨導(dǎo)保持較大并為常數(shù)，故線性放大的動(dòng)態(tài)范圍較大，并且在大功率輸出時(shí)保持較好的線性增益，相對(duì)于其它功率器件具有較好的線性度，并且相對(duì)于GaAs、GaN功率器件價(jià)格低很多[4]。

大功率放大部分采用平衡式放大器設(shè)計(jì)，由兩個(gè)輸出功率為170W的LDMOS放大器通過(guò)3dB耦合器合成。兩個(gè)相同的放大器的輸入來(lái)自于一個(gè)3dB耦合器，這個(gè)3dB耦合器產(chǎn)生兩路相位上正交的信號(hào)，兩個(gè)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(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于從兩個(gè)放大器產(chǎn)生的任何失配，反射回來(lái)通過(guò)耦合器到達(dá)輸入端口是反相的，因而抵消[1]。

1.2.1 偏置電路設(shè)計(jì)

偏置電路主要作用是給功率管提供合適穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)，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(zhǎng)高阻抗的微帶線實(shí)現(xiàn)，在微帶線上并聯(lián)幾個(gè)電容濾除不必要的雜波，提高整個(gè)電路的穩(wěn)定性[5]。

由于功放管的靜態(tài)工作點(diǎn)隨溫度變化呈現(xiàn)正溫度系數(shù)變化趨勢(shì)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(bǔ)償措施，穩(wěn)定功放管的靜態(tài)工作點(diǎn)。采用硅開(kāi)關(guān)二極管，其正向?qū)▔航禐?.7V，其導(dǎo)通壓降隨溫度變化呈負(fù)溫度系數(shù)變化趨勢(shì)。通常，當(dāng)溫度升高時(shí)，此類(lèi)二極管的導(dǎo)通壓降會(huì)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(shì)，穩(wěn)定了靜態(tài)工作點(diǎn)。

1.2.2 匹配電路設(shè)計(jì)

對(duì)于外匹配大功率型功率管來(lái)說(shuō)，最難的就是匹配電路的設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)工作頻段為2025MHz～2120MHz，大功率功放管大多是為無(wú)線通信設(shè)計(jì)的，其工作頻段為2110MHz～2170MHz，與本次設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的難度。為了解決這個(gè)難點(diǎn)，借助仿真軟件ADS進(jìn)行匹配電路的設(shè)計(jì)，在匹配電路設(shè)計(jì)過(guò)程中采用超頻段匹配技術(shù)，選擇適合調(diào)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(fù)載牽引法來(lái)確定最佳的輸入阻抗與輸出阻抗[6]。通過(guò)負(fù)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(gè)阻抗值會(huì)略有不同，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程折中考慮，選取最合適的阻抗值。利用負(fù)載牽引與源牽引，得到了最佳的源阻抗與負(fù)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(shù)，利用ADS自帶的Smith原圖工具，將最佳的源阻抗與負(fù)載阻抗共軛匹配到50Ω，得到輸入輸出匹配電路。

對(duì)于輸入輸出匹配電路，有很多電路形式進(jìn)行匹配，本文采用超頻段匹配技術(shù)，使用微帶線加電容的形式進(jìn)行匹配電路設(shè)計(jì)，此種電路形式匹配帶寬相對(duì)比較寬，同時(shí)相對(duì)減小了整體電路尺寸，符合小型化設(shè)計(jì)要求，并且方便后期調(diào)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(jié)構(gòu)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(yōu)化

將得到的輸入輸出匹配電路與偏置電路組合起來(lái)，得到了整個(gè)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(jié)果，根據(jù)仿真結(jié)果再對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化，最后得到滿足指標(biāo)要求的完整電路。輸出功率特性仿真結(jié)果如圖5所示，從仿真結(jié)果可以看到在輸入功率為42dBm時(shí)，輸出功率為315W，滿足設(shè)計(jì)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(jié)果示意圖

1.4 監(jiān)測(cè)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(duì)靜電、熱、射頻過(guò)載、輸出失配有很高的敏感性，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮如何保護(hù)功率放大器，實(shí)現(xiàn)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(guò)大，溫度過(guò)高，反射功率過(guò)大，因此需要針對(duì)這幾個(gè)失效的原因設(shè)計(jì)保護(hù)電路。狀態(tài)監(jiān)測(cè)部分通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)跟蹤功率放大器電流、溫度、發(fā)射功率的狀態(tài)，并將反映該狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳給比較判斷部分；比較判斷部分對(duì)檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的告警、保護(hù)門(mén)限進(jìn)行比較，當(dāng)狀態(tài)數(shù)據(jù)大于預(yù)設(shè)的告警、保護(hù)門(mén)限時(shí)，輸出命令至保護(hù)執(zhí)行部分或者告警顯示部分，關(guān)斷驅(qū)動(dòng)放大器與大功率放大器的柵壓，起到快速保護(hù)的作用。

2 加工、調(diào)試及性能測(cè)試

整個(gè)電路采用了小型化緊湊型設(shè)計(jì)，滿足了高功率放大器的小型化要求。本設(shè)計(jì)功率放大器具有很大的功率，信號(hào)傳輸介質(zhì)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(zhì)板，然后介質(zhì)板緊密固定在紫銅盒體內(nèi)，經(jīng)過(guò)調(diào)研選用介電常數(shù)為2.55，厚度為0.762mm的板材。對(duì)于末級(jí)功放管的散熱問(wèn)題，采用了高導(dǎo)熱系數(shù)的紫銅金屬屏蔽盒，末級(jí)功率管整體焊接在10mm厚紫銅板上，屏蔽盒通過(guò)高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱硅脂貼在散熱器上，減小了接觸面的熱阻，然后合理優(yōu)化強(qiáng)迫風(fēng)冷通道。加工完成后的功率放大模塊實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 功率放大器實(shí)物圖

根據(jù)設(shè)計(jì)的電路加工完成之后，最難的是通過(guò)調(diào)試實(shí)現(xiàn)其性能，因?yàn)榉抡骐娐放c實(shí)際電路有一定的差異，在調(diào)試過(guò)程中通過(guò)改變匹配電路中電容的大小與位置，實(shí)現(xiàn)其性能與技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)過(guò)調(diào)試，功率放大器的各項(xiàng)指標(biāo)都很好的滿足要求，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果增益51.6dB輸出功率(P-1)315W效率40.5%增益平坦度(整個(gè)頻帶內(nèi))0.42dB三階交調(diào)-33.5dBc雜波抑制-69dBc

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看到，設(shè)計(jì)的S頻段功放模塊各項(xiàng)指標(biāo)都很好的滿足了設(shè)計(jì)要求，性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。對(duì)功率放大器來(lái)說(shuō)，本身有很大的熱量，散熱問(wèn)題是很重要的，所以在高溫環(huán)境下對(duì)功率放大器是很大的考驗(yàn)。在正常情況下，晶體管中電子有序的直線移動(dòng)，但是在高溫下，電子活躍度提高，到處亂跑，相互之間就會(huì)有阻礙和摩擦，導(dǎo)致能量的消耗，若散熱不好，溫度越來(lái)越高，導(dǎo)致增益與輸出功率大幅度降低，更嚴(yán)重就會(huì)燒毀管子。在嚴(yán)苛的55℃高溫環(huán)境下，工作狀態(tài)穩(wěn)定之后，本設(shè)計(jì)的功放模塊工作正常，增益沒(méi)有波動(dòng)，輸出功率能力沒(méi)有下降。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)測(cè)控遙感系統(tǒng)的實(shí)際需要，利用仿真軟件ADS，采用超頻段匹配技術(shù)，設(shè)計(jì)并且實(shí)現(xiàn)了S頻段連續(xù)波300W固態(tài)功率放大器，滿足了大功率集成、小型化的高要求，并且實(shí)現(xiàn)了功率放大器的健康管理。通過(guò)實(shí)際的調(diào)試，最終測(cè)試結(jié)果很好地滿足了要求。設(shè)計(jì)的功率放大器已經(jīng)在實(shí)際的工程項(xiàng)目使用，在實(shí)際的工程運(yùn)用過(guò)程中，功率放大器技術(shù)指標(biāo)正常，工作穩(wěn)定，可靠性高。