225MHz～512MHz 50W功率放大器研制

1 引言

自1948年發(fā)明固態(tài)電路以來，在短波和超短波通信領(lǐng)域，固態(tài)功放以其高可靠性、長壽命、高用電效率和低供電電壓等優(yōu)勢已基本替代行波管，成為主要的功率放大應(yīng)用器件。以固態(tài)放大和寬帶功率合成為技術(shù)特點的寬帶線性放大器是通信對抗的關(guān)鍵技術(shù)。但是由于器件和技術(shù)的原因，大功率寬帶固態(tài)功放一直靠進口。因此，為解決當(dāng)前的技術(shù)瓶頸，本文以寬帶大功率放大模塊為基礎(chǔ)，利用高效的散熱，我們自主設(shè)計了跨越VHF頻段和UHF頻段的225MHz～512MHz50W寬帶大功率射頻放大器。此放大器工作溫度范圍為-40℃～+65℃，存儲范圍為-55℃～+85℃，具有過壓、過流及駐波異常等保護措施。

2 設(shè)計過程

2.1 放大器組件主要技術(shù)指標(biāo)

工作頻率： 225 MHz～512 MHz;

輸出功率(P1dB)：　 ≥47 dBm;

增益： ≥45 dB;

平坦度： ≤±1.5 dB;

工作電流： ≤10 A ;

工作電壓： +24 V;

三階互調(diào)： ≤-27 dBc;2.1.8　二次、

三次諧波： ≤-50 dBc;

輸入輸出駐波： ≤1.5。

2.2 工作原理

整個放大器從功能上可以劃分為功率放大部分、收發(fā)開關(guān)和監(jiān)控部分三部分。其中收發(fā)開關(guān)部分的主要任務(wù)是完成收發(fā)通道的切換，監(jiān)控部分主要完成對功率放大部分的實時監(jiān)視以及實現(xiàn)過壓、過流及駐波異常等一些意外情況的保護，以最大限度地保護整機和方便地排除故障，這兩部分技術(shù)已經(jīng)比較成熟，本文不再進行詳細(xì)討論。本文主要討論功率放大部分的設(shè)計與實現(xiàn)。功率放大部分主要進行小信號的功率放大，它是功放的主體部分，通過它來實現(xiàn)功放的電性能指標(biāo)，例如增益、輸出功率和功率平坦度等。功率放大器具體示意方框圖如圖1所示。由于工作頻段跨陪頻程，將近300 MHz帶寬，因此設(shè)計放大器的關(guān)鍵是如何獲得較好的增益平坦度q，克服功率器件增益在每倍頻程增益降低6 dB的特性，得到較好的輸出駐波。筆者運用ADS軟件仿真，采用某公司LDMOS器件，選擇合適的輸入輸出匹配，兼顧平坦度及輸出功率，最終達到設(shè)計要求。

圖1 放大器的組成方框圖

2.3 電路設(shè)計

由于技術(shù)指標(biāo)中二次諧波要求較高，所以采取了分段濾波方式，以340 MHz為界，225 MHz～340 MHz為低波段，340 MHz～512 MHz為高波段，我們自行設(shè)計和研制了滿足要求的大功率開關(guān)濾波器。為了檢測輸出駐波并實施過駐波保護，輸出端采用雙定向耦合器取樣。同時為了滿足客戶提出的提供接收通道的要求，增加了收發(fā)開關(guān)。考慮放大器后接濾波器、定向耦合器和收發(fā)開關(guān)的插損，為了保證最后輸出功率50W，放大器輸出功率達到80W。末級放大部分采用90°電橋功率合成方案。其偏置電路采用熱敏電阻補償電路，其電路圖如圖2所示，實現(xiàn)了靜態(tài)電流在-40℃～+65℃范圍內(nèi)穩(wěn)定在±10%以內(nèi)，從而達到改善整個功放線性的目的。

目前射頻LDMOS的設(shè)計技術(shù)十分成熟，工作于幾百MHz左右的晶體管可以輸出幾百W的功率。然而隨著器件輸出能力的提高，器件的輸入/輸出阻抗就越來越小，并且隨頻率變化十分劇烈，匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計變得十分困難，尤其是跨倍頻程的大功率匹配網(wǎng)絡(luò)。采用多個小功率晶體管合路來實現(xiàn)大功率放大模塊的方式，可以方便地解決晶體管輸入/輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計問題，并且可以將熱源有效地分隔開，降低系統(tǒng)散熱的難度。同時采用這種設(shè)計方式，還可以降低由于個別器件失效而造成的影響，提高大功率模塊工作的可靠性。

本放大器模塊的設(shè)計難點是帶寬和高線性功率，因此寬帶匹配技術(shù)是設(shè)計成功的關(guān)鍵。傳輸線變壓器寬帶性能的好壞與傳輸線變壓器的設(shè)計有很大關(guān)系，進行晶體管寬帶匹配之前，首先應(yīng)當(dāng)進行傳輸線變壓器及晶體管匹配電路的設(shè)計。傳輸線變壓器設(shè)計利用傳輸線阻抗變換器來完成高阻的信號源或負(fù)載與低阻的功率晶體管輸入端或輸出端之間的阻抗匹配，可以最大限度地利用晶體管本身的帶寬潛能。傳輸線變壓器在設(shè)計使用上有兩點必須注意：一是源阻抗、負(fù)載阻抗、傳輸線阻抗的匹配關(guān)系;二是輸入端、輸出端必須在規(guī)定的連接及接地方式下應(yīng)用。功放的寬頻帶一直是困擾設(shè)計者的難題，傳統(tǒng)方法是用傳輸線變壓器通過阻抗變換來匹配頻帶的低端，同時采用低通匹配部分使得頻帶高端的阻抗降低。本技術(shù)利用傳輸線變壓器的等效電感，增加小電容形成一個π型匹配網(wǎng)絡(luò)，兼顧整個頻帶，使得放大器在倍頻程帶寬內(nèi)實現(xiàn)寬帶、高效匹配。

圖2 熱敏電阻補償電路

2.4 仿真結(jié)果

通過仿真計算，采用2個60 W的LDMOS進行推挽工作可以比較容易地實現(xiàn)寬帶工作。運用ADS軟件對放大部分進行仿真，放大器增益和三階互調(diào)仿真結(jié)果如圖3和圖4所示：

圖3 放大器增益仿真結(jié)果

圖4中，每音為43.2 dBm，是考慮放大器后接濾波器、定向耦合器、收發(fā)開關(guān)等插損為2 dB，同時留一些余量。

圖4 放大器三階互調(diào)仿真結(jié)果

3 實驗結(jié)果

為改善輸入駐波比，放大器輸入端加有3dB衰減器，則整個放大器的估算增益為50dB。放大器輸出端由于采用了平衡結(jié)構(gòu)，所以駐波比可得以保證。整個放大器的尺寸為：202 mm×148 mm×29 mm(加控制和定向耦合部分)，經(jīng)過調(diào)試得到了十分滿意的結(jié)果，各項指標(biāo)與仿真結(jié)果比較吻合，滿足放大器組件的要求。目前該放大器已經(jīng)小批量生產(chǎn)，性能穩(wěn)定，一致性好。放大器組件三階互調(diào)實測結(jié)果如圖5所示，典型測試結(jié)果如表1所示。表中測試數(shù)據(jù)中輸入電平和電流為整個放大器組件輸出50 W(加后面的波段濾波和收發(fā)開關(guān)，放大器本身的實際輸出功率為80 W)條件下測出的結(jié)果，互調(diào)是雙音間隔0.1 MHz，每個音41dBm條件下測出的結(jié)果。結(jié)果表明，本文設(shè)計的功放在225 MHz～512 MHz寬頻率范圍內(nèi)附加效率和線性達到了37%和-27 dBc。圖6給出了放大器的外形結(jié)構(gòu)。

圖5 放大器三階互調(diào)實測結(jié)果

圖6 放大器的外形結(jié)構(gòu)

表1 UHF頻段功放組件測試記錄

4 結(jié)束語

本功率放大器由放大部分、濾波部分、定向耦合部分及收發(fā)開關(guān)等組成，由于指標(biāo)要求較高，每一部分的設(shè)計和研制都是一個挑戰(zhàn)。我們在短時間內(nèi)完成了滿足設(shè)計指標(biāo)要求的小批量放大器，目前已經(jīng)聯(lián)機使用，性能穩(wěn)定可靠，滿足使用要求。