L頻段1 500 W固態(tài)連續(xù)波功放的設(shè)計與實現(xiàn)

敦書波，楊 懿，魏利郝

(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

微波功率放大器［1］在導(dǎo)航、雷達、衛(wèi)星通訊、無線通信和電子對抗設(shè)備等系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛［2］，是現(xiàn)代無線通信的關(guān)鍵設(shè)備。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，微波功率放大器扮演著重要的角色［3，4］，其技術(shù)性能的好壞直接影響通訊系統(tǒng)的通訊質(zhì)量和通訊距離等技術(shù)指標［5］。微波固態(tài)功率放大器由其自身的高可靠性和長壽命等特點，越來越受到通訊系統(tǒng)的青睞，其技術(shù)發(fā)展也越來越成熟［6］。

使用LDMOS功率管通過寬帶匹配技術(shù)［7］、徑向合成技術(shù)［8］和高效散熱技術(shù)［9］，研制了一種寬帶、大功率、固態(tài)、連續(xù)波功放，在L頻段輸出功率高于 1 500 W，增益大于 63 dB，諧波抑制高于32 dBc。

1 設(shè)計方案

功放整機輸出功率比較大，連續(xù)波1 500 W以上，采用單只功率管無法滿足指標要求，因此需要進行功率合成。目前此頻段的大功率BJT晶體管、LDMOS功率管多為脈沖形式，連續(xù)波工作得很少;在附近頻段920～960 MHz有大功率的LDMOS功率管，由于工作頻帶不一樣，需要跨頻帶匹配才能使用;第三代半導(dǎo)體GaN功率管輸出連續(xù)波功率在100 W左右，效率在45%左右，但其價格比較高，雖然隨著國外生產(chǎn)線成品率的提升其價格比剛開始下降了不少，但仍是同頻段同等功率LDMOS功率管價格的5倍左右，甚至更高。綜合考慮，最終使用臨近頻帶的大功率LDMOS功率管研制了此頻段150 W功率模塊，通過多次功率合成實現(xiàn)整機連續(xù)波1 500 W功率輸出。

功放整機輸出功率比較大，機箱比較多，包含電源共計7個機箱:1個推動機箱、2個末級機箱和4個電源機箱，另外還有COM0912四合路及耦合器和檢波器等部件，具體原理框圖如圖1所示。

輸入小信號進入推動機箱，經(jīng)過放大后輸出4路完全一樣的中功率信號，4路信號進入末級機箱進行放大，放大后的4路信號進入COM0912四合路及耦合器完成大功率合成，同時耦合出前向、反向小信號通過檢波器后進入推動機箱完成整機控制。

圖1 功放原理

2 設(shè)計難點

2.1 功率管的選擇

在L頻段大功率的功率管多為脈沖工作方式，使用在連續(xù)波環(huán)境下比較少，大功率輸出的功率幾乎沒有，經(jīng)過多方調(diào)研最終選用臨近頻帶的大功率LDMOS晶體管，采用跨頻帶匹配技術(shù)實現(xiàn)寬頻帶大功率匹配，實現(xiàn)頻帶在960～1 215 MHz的大功率輸出。

2.2 全面的控制保護電路

作為一個具體的功率放大器系統(tǒng)，為了保證整機良好可靠的工作，需要對功率放大部分進行監(jiān)視以及對一些意外情況做出及時反應(yīng)，以最大限度地保護整機和方便地排除故障［10］。設(shè)計過程中采用了過溫保護、過激保護、過波比保護和過流保護等，整機采用多路合成的方式實現(xiàn)高功率輸出，為了檢測合成的各支路是否損壞，設(shè)計了不平衡保護，實時檢測合成各路的平坦度，保護功放整機。

3 設(shè)計仿真

3.1 L150放大器設(shè)計

根據(jù)調(diào)研及大量的測試實驗，選擇220 W的LDMOS功率管，該功率管使用頻帶為920～960 MHz，在標稱頻帶內(nèi)增益大于17.5 dB、單音輸出功率大于200 W，經(jīng)過跨頻帶匹配后在960～1 215 MHz頻帶內(nèi)單音輸出功率大于120 W、增益大于14.5 dB、多音信號120 W輸出時工作正常，可以作為L150放大器末級放大。為了滿足使用要求，末級采用2路功率管合路方式，使用180°分/合路方式，增加偶次諧波抑制;推動級選擇Freescale公司的30 W的LDMOS功率管MRF284作為推動級，為了減小級間的牽引，在放大器入口和2級放大之間使用隔離器進行隔離，電路圖如圖2所示。

圖2 L150放大器原理

由于LDMOS功率管廠家沒有大信號模型，也沒有給出使用頻帶的S參數(shù)或阻抗參數(shù)，因此只能采用動態(tài)阻抗法，通過實際對每個頻點進行功率測試，并記錄每個點的最大功率、增益的匹配電路，通過對匹配電路的計算獲取功率管每個頻點的實際阻抗值，通過共軛匹配法對全頻帶進行阻抗匹配實現(xiàn)寬帶匹配，使用ADS計算出功率管的阻抗如表1所示。

表1 LDMOS功率管阻抗

為了使功率管的輸出功率、增益達到最佳值，需要采用共軛匹配技術(shù)［11］。實現(xiàn)共軛匹配的條件為:

這些條件被稱為同時共軛匹配條件。當(dāng)輸入和輸出匹配時，可以得(VSWR)IN=(VSWR)OUT，此時功放的輸出功率最大。

在低頻段通常采用集總參數(shù)元器件進行匹配，在高頻段通常采用微帶線進行匹配，也可以采用微帶線和集總參數(shù)元器件混合式進行匹配。本方案中要進行多模塊功率合成，需要保證模塊之間的幅度/相位一致性，為了減少后期的調(diào)試難度，全部采用微帶電路進行阻抗匹配。

第2級功率管需要進行功率合成，為了提高偶次諧波抑制，采用180°的分合路方式，傳統(tǒng)的巴倫的加工和裝配很難保證一致性，為了提高模塊的一致性指標，采用了微帶巴倫［11］進行分合路。

第1級使用功率管MRF284，F(xiàn)reescale廠家功率管的ADS大信號模型，根據(jù)此模型使用ADS仿真軟件搭建直流偏置電路圖、匹配電路圖，對功率管進行仿真，并使用諧波平衡法對匹配電路進行分析，檢驗電路的壓縮特性、非線性特性、穩(wěn)定性是否滿足指標要求，如果不滿足，再對電路進行優(yōu)化設(shè)計直到指標滿足要求。

3.2 推動級放大模塊設(shè)計

末級模塊L150放大器的增益大于21 dB，2次四分路四合路及連接電纜的損耗最大為3 dB，為了保證末級模塊獲得足夠的推動功率，推動級放大模塊的輸出功率P≥1500 W-21 dB+3 dB≥24 W，G≥45 dB，為了留有一定余量，推動級放大模塊設(shè)計為50 W的放大器。

為了保證整機的線性度指標，采用功率回退法實現(xiàn)。模塊要求輸出功率為50 W，諧波抑制大于40 dBc，根據(jù)指標設(shè)計電路，50 W推動級電路采用和L150放大器電路形式基本一樣，末級采用MRF284和LDMOS功率管進行放大，但工作電壓降到+13 V，L頻段50 W放大器采用4級放大電路，分別為ERA-51、MRF281、MRF284和LDMOS功率管。其中后2路采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，第1級分合路采用威爾金森同相形式，第2級采用微帶巴倫180°形式，提高偶次諧波抑制。

L150放大器的輸出功率計算為150 W，按電壓的平方和輸出功率成正比的關(guān)系，2只工作在+13 V的LDMOS功率管合路輸出功率應(yīng)為:

合路損耗按0.3 dB計算，工作在+13 V的4只功率管進行合成輸出功率大于60 W，因此模塊工作狀態(tài)回退了3 dB，2次諧波抑制在30 W狀態(tài)下比滿功率高3 dB，3次和3階互調(diào)比滿功率時高6 dB。

3.3 COM0912四合路及耦合器設(shè)計

四合路器采用不帶隔離電阻的徑向n路分/合路器電路形式。4路支路直接采用徑向形式合成，合路點轉(zhuǎn)為同軸線形式，其合路點的實際阻抗為12.5 Ω，為了實現(xiàn)匹配，采用多節(jié)的1/4波長線進行阻抗變換。

耦合器采用同軸線耦合方式，因為功率放大器工作的頻帶為250 MHz，使用一節(jié)1/4波長的耦合線即可滿足使用要求。為了保證前向耦合和反向耦合互不影響，耦合器采用雙耦合方式，即2組完全一樣的耦合器，一組用于前向耦合檢測，另一組用于反向耦合檢測。

為了節(jié)省空間，整機的四合路器與耦合器設(shè)計在了一起，使用HFSS仿真如圖3所示。

圖3 四合路及耦合器的級聯(lián)仿真建模

3.4 結(jié)構(gòu)及散熱設(shè)計

功放最終整機占用31U標準機柜空間，其中4臺電源使用12U空間，2個末級機箱共占用14U空間，推動機箱用1個5U空間。推動機箱和末級機箱使用高效散熱器，散熱器安裝在機箱中間，放大器模塊等部件安裝在散熱器上下兩面，利于整機的散熱。

使用Icepark軟件研制的高效散熱器(肋片厚度1 mm，肋片孔洞88 mm，底座10 mm)，并對機箱進行優(yōu)化仿真。L150放大器放置在散熱器前端進風(fēng)口處，風(fēng)扇采用480 m3/h大風(fēng)量風(fēng)扇，采用抽風(fēng)的工作方式。通過仿真計算結(jié)果得出，在環(huán)境溫度為55℃時，功率管溝道溫度為179.75℃，溝道最高允許溫度為200℃，因此功率管可以穩(wěn)定可靠地工作。

4 性能測試

功放設(shè)計加工完成后先后對各模塊進行了調(diào)試，整機級聯(lián)安裝后對進行了大量的調(diào)試，并進行高低溫試驗測試，最終的整機測試結(jié)果如表2所示，其中，頻率為 960 MHz時，輸入駐波比為1.3∶1;頻率為1 215 MHz時，諧波抑制為32 dBc。

表2 整機測試結(jié)果

5 性能測試結(jié)果分析

由整機的測試結(jié)果分析，L頻段1 500 W連續(xù)波固態(tài)功放的各項指標均滿足系統(tǒng)要求，并通過了環(huán)境試驗測試，在-20～+55℃的高低溫環(huán)境下各項指標變化不大，均滿足要求。功放整機的設(shè)計包含了全面的控制保護電路，測試過程中對整機的各項保護都進行了測試。

整機最后合成采用不帶隔離的徑向合路器，如果某一放大鏈路由于模塊的損壞功率降低而牽引到其他幾路的輸出功率，形成不穩(wěn)定狀態(tài)有可能進一步損壞其他沒有故障的模塊，因此整機設(shè)計了不平衡保護和4路放大鏈路的高駐波保護電路。通過人為地將某一路模塊斷電造成模塊損壞的現(xiàn)象測試，整機的不平衡保護、損壞的放大鏈路高駐波保護均啟動了保護措施，保護了其他模塊。

6 結(jié)束語

上述使用ADS、HFSS和Icepark等軟件進行優(yōu)化仿真，研制了L頻段1 500 W功率放大器，通過實際測試功放各項指標均滿足要求?？紤]成本問題，選用了LDMOS功率管，通過寬帶匹配實現(xiàn)大功率輸出，實際使用表明其工作穩(wěn)定，可靠性高，具有很高的工程實用價值。但其效率較低，如果對效率要求苛刻，需要采用效率更高的第三代半導(dǎo)體進行放大器研制。

［1］ WANG You-zhen，WANG Ping-lian，A High-effiiciency Power Amplifier Using GaN HEMT［C］∥IEEE ICECC，2011:1 815-1 817.

［2］ 敦書波，劉儉成，魏利郝.UHF寬帶固態(tài)大功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.無線電工程，2007，37(5):57-58.

［3］ BUNDZINSKI D.Some Aspects of Design of Pulse and CW L-band Power Microwave Amplifier［C］∥ IEEE MIKON，2006:856-859.

［4］ 趙中義.L波段LDMOS微波寬帶功率放大器的研制［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2009:13-25.

［5］ 斯科尼克主編.雷達手冊 (第2版)［M］.王 軍，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2003:160-187.

［6］ 趙正平.固態(tài)微波器件與電路的新進展［J］.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2007(4):229-335.

［7］ 張書敬.SiC寬帶功率放大器模塊設(shè)計分析［J］.無線電工程，2011，41(5):39-41.

［8］ 白義廣.徑向功率分配/合成器的設(shè)計［J］.微波學(xué)報，1999(2):189-192.

［9］ 宋玉清，黃應(yīng)東.L波段90kW固態(tài)發(fā)射機的設(shè)計［C］∥全國第十二屆微波集成電路與移動通信學(xué)術(shù)會議論文集.北京:中國電子學(xué)會，2008:219-223.

［10］崔 焱，王鵬飛，劉儉成，等.機載V/UHF功放的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機與網(wǎng)絡(luò)，2005，31(12):56-57.

［11］郭福強.一種新型寬帶微帶巴倫的設(shè)計［D］.成都:四川大學(xué)，2006:1-10.