S波段10 W LDMOS功率管匹配電路設(shè)計(jì)

王 濤，潘建華，徐 政

（無錫中微晶園電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

1 引言

RF LDMOS功率管具有高輸出功率、高增益、高線性、良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信基站、數(shù)字廣播電視發(fā)射以及射頻通信領(lǐng)域[1]。其在國(guó)防科技和軍事通訊領(lǐng)域的作用顯得更加突出，在相控陣?yán)走_(dá)、機(jī)載艦載雷達(dá)領(lǐng)域作為發(fā)射通道的功率放大器，縮小了裝備的體積，減輕了重量，并且具有更高的可靠性及更長(zhǎng)的使用壽命。

阻抗匹配是LDMOS功率管應(yīng)用電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵任務(wù)，射頻模塊的主要任務(wù)是在無相移的情況下確保最大功率傳輸[2]。阻抗匹配是通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)將初始的阻抗轉(zhuǎn)換至標(biāo)準(zhǔn)參考阻抗50 Ω或其他需要的阻抗。在實(shí)際的射頻電路設(shè)計(jì)中，大多數(shù)模塊的輸入輸出阻抗被匹配至50 Ω，其原因是幾乎所有的射頻測(cè)試模塊測(cè)試儀器均采用50 Ω作為標(biāo)準(zhǔn)參考阻抗。

S波段LDMOS功率管經(jīng)常應(yīng)用在寬帶情況下，因此對(duì)LDMOS功率管外匹配電路設(shè)計(jì)的研究尤為重要。在窄帶和寬帶情況下的阻抗匹配方法基本相同。窄帶情況下，其中心頻率可以近似代表整個(gè)帶寬，所以阻抗匹配過程中只需要考慮一個(gè)頻點(diǎn)。寬帶情況下，初始阻抗在史密斯圓圖上是一段阻抗曲線而不是一個(gè)點(diǎn)。阻抗曲線上的每一個(gè)點(diǎn)代表帶寬內(nèi)每個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的阻抗值。寬帶匹配的主要分析放在從窄帶到寬帶的頻率擴(kuò)展方法上。為了將終端阻抗匹配從窄帶變?yōu)閷拵ы憫?yīng)，要壓縮回波損耗軌跡并把它移到史密斯圓圖的中心[3]。

2 匹配電路設(shè)計(jì)方案

2.1 偏置電路設(shè)計(jì)

偏置網(wǎng)絡(luò)是線路設(shè)計(jì)關(guān)鍵的一環(huán)，其主要有以下功能：（1）保持電路穩(wěn)定性，消除自激振蕩；（2）阻止射頻能量進(jìn)入源極、漏極偏置電壓供應(yīng)線路；（3）阻止電源噪音到達(dá)場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極；（4）在漏極提供高阻抗，使其對(duì)射頻主電路微波特性影響盡可能小，即不引入大的附加損耗、反射以及高頻能量沿偏壓電路的漏泄等，以保證在工作頻段內(nèi)得到最佳射頻性能[4]。圖1為L(zhǎng)DMOS偏置網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖1 LDMOS偏置網(wǎng)絡(luò)

λ/4微帶線依靠旁路電容C8到C12取得接地的低阻抗通道。λ/4微帶線的電抗要至少大于管子的漏極阻抗的10倍，還需要考慮能夠承受漏極直流電流；L2盡可能大，以便在帶寬內(nèi)形成足夠高的阻抗，也需要能夠承受漏極直流電流，并且直流電阻要足夠小，從而消耗在電感兩端的直流電壓最小。λ/4微帶線和C8聯(lián)合使用大大降低出現(xiàn)在漏極偏置電壓供應(yīng)線路的載頻能量。λ/4微帶線在這個(gè)頻帶內(nèi)起阻礙作用，C8用來進(jìn)一步壓制工作頻帶內(nèi)的射頻能量，把能量旁路至地。C8容值應(yīng)選成使其串聯(lián)諧振頻率FSR接近放大器工作頻率，在串聯(lián)諧振頻率時(shí)呈現(xiàn)低阻抗，射頻能量由它旁路到地。

C9～C12主要用于直流電源的去耦，電容C9～C12的容值逐個(gè)下降，挑選時(shí)使它們?cè)谑孜蚕噙B的幾個(gè)頻段中的阻抗和感抗都低，因此它們對(duì)低于放大器工作頻帶的功率提供連續(xù)的旁路。在電容之間也可以使用鐵氧體磁珠，磁珠固有的Q值很低，因此可以在很寬頻帶上排除電源噪音，而且把各個(gè)電容元件分隔開來。

2.2 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

對(duì)于大功率LDMOS功率管，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)用來實(shí)現(xiàn)功率管的輸入端口與信號(hào)源的共軛匹配，減小輸入信號(hào)的反射；輸出匹配用來完成功率管的輸出端口與負(fù)載之間的最大功率匹配。

采用負(fù)載牽引測(cè)試技術(shù)得到LDMOS功率管在大信號(hào)狀態(tài)下最大輸出功率對(duì)應(yīng)的輸入阻抗及輸出阻抗。外匹配采用合適的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，使LDMOS功率管的輸入阻抗與信號(hào)源阻抗匹配，輸出阻抗與負(fù)載阻抗匹配。在S波段，外匹配電路常用串聯(lián)阻抗階躍變化的微帶線，這種微帶結(jié)構(gòu)容易通過仿真軟件計(jì)算，仿真結(jié)果較為精確，而且這種電路結(jié)構(gòu)尺寸小，可以節(jié)省電路空間，并可以實(shí)現(xiàn)電路的寬帶特性。

在3.1～3.4 GHz帶寬內(nèi)，選擇靠近中心頻率的3.3 GHz頻點(diǎn)，串聯(lián)階躍阻抗微帶線，實(shí)現(xiàn)輸入阻抗匹配至源端阻抗50 Ω，輸出阻抗匹配至負(fù)載阻抗50 Ω，其匹配路徑如圖2所示。

3 電路仿真及調(diào)試

3.1 輸入匹配電路設(shè)計(jì)

為改善3.1～3.4 GHz帶寬內(nèi)輸入端口的駐波，同時(shí)考慮偏置電路對(duì)匹配電路的影響，建立如圖3所示的ADS原理圖。該原理圖包含偏置電路，理想微帶線用實(shí)際微帶線代替。為了讓仿真軟件自動(dòng)優(yōu)化仿真結(jié)果，把需要調(diào)諧的微帶線長(zhǎng)度、寬度設(shè)置為變量，并設(shè)置調(diào)諧范圍。利用軟件的參數(shù)優(yōu)化控件，設(shè)置優(yōu)化變量為dB(S(1,1))，優(yōu)化目標(biāo)為dB(S(1,1))≤-15 dB。

ADS軟件仿真優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。帶寬內(nèi)S11≤-13.5 dB，輸入端駐波VSWR≤1.53。

仿真優(yōu)化的帶偏置電路外匹配電路的輸入匹配電路版圖如圖5所示。

圖2 匹配路徑

圖3 輸入匹配電路ADS原理圖

圖4 輸入匹配電路仿真優(yōu)化結(jié)果

3.2 輸出匹配電路設(shè)計(jì)

同樣，為改善3.1～3.4 GHz帶寬內(nèi)輸出端口的駐波，同時(shí)考慮偏置電路對(duì)匹配電路的影響，建立如圖6所示的ADS原理圖。由于樣管輸出阻抗相比于輸入阻抗的離散性更小，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)為dB(S(1,1))≤-20 dB。

圖5 輸入匹配電路版圖

圖6 輸出匹配電路ADS原理圖

圖7 輸出匹配電路仿真優(yōu)化結(jié)果

仿真優(yōu)化的帶偏置電路外匹配電路的輸出匹配電路版圖如圖8所示。

圖8 輸出匹配電路版圖

3.3 PCB板設(shè)計(jì)

采用PCB版圖設(shè)計(jì)軟件Altium Designer 6.9繪制PCB版圖，LDMOS功率管的輸入、輸出匹配電路版圖參數(shù)已由ADS仿真得到。外匹配電路采用PCB板材參數(shù)為F4B-2，其介電常數(shù)為2.55，板材厚度為0.8 mm。根據(jù)繪制的PCB板版圖加工PCB板，后續(xù)在PCB板上安裝電容、電阻、電感元件后，完成外匹配電路的制作。圖9為L(zhǎng)DMOS功率管外匹配電路PCB版圖。為方便調(diào)試，在微帶線旁邊畫一些調(diào)試用的小島。

圖9 LDMOS功率管外匹配電路PCB版圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

圖10為完成調(diào)試的S波段LDMOS功率管外匹配電路照片。

圖10 微波參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

表1為S波段LDMOS功率管完成外匹配調(diào)試后的測(cè)試數(shù)據(jù)，在3.1～3.4 GHz頻率范圍內(nèi)，輸出功率大于13.8 W，功率增益大于12.4 dB，效率大于37.9%，輸入回波損耗小于-8.5 dB。

表1 樣管在外匹配電路測(cè)試架上測(cè)試結(jié)果

完成匹配電路調(diào)試后，采用負(fù)載牽引測(cè)試技術(shù)測(cè)試功率管在外匹配電路上輸出端口的駐波。功率管3.1～3.4 GHz帶寬內(nèi)各頻點(diǎn)的輸出端駐波列于表2。

表2 帶寬內(nèi)各頻點(diǎn)的輸出端口駐波

從結(jié)果看出，功率管在外匹配電路測(cè)試夾具上輸出端口具有良好的駐波特性，表明功率管外匹配電路調(diào)試狀態(tài)較理想。

5 結(jié)論

本文選擇中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所研制的S波段10 W LDMOS功率管，以內(nèi)匹配功率管大信號(hào)負(fù)載牽引測(cè)試提取的輸入阻抗、輸出阻抗為基礎(chǔ)，利用微波仿真工具ADS設(shè)計(jì)輸入、輸出匹配電路匹配路徑，并用軟件的參數(shù)優(yōu)化控件，完成輸入匹配、輸出匹配電路的仿真，得到輸入匹配、輸出匹配電路版圖。參考外匹配電路設(shè)計(jì)結(jié)果，并根據(jù)調(diào)試金屬片在不同位置時(shí)微波參數(shù)的變化，經(jīng)過精心調(diào)試，使S波段LDMOS功率管輸入回波損耗、增益、增益平坦度、輸出功率、效率、諧波等技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。最終，采用負(fù)載牽引測(cè)試手段，驗(yàn)證了功率管的外匹配電路輸入、輸出端口均有良好的駐波特性。完成匹配電路設(shè)計(jì)的S波段LDMOS功率管在3.1～3.4 GHz頻率范圍內(nèi)，輸出功率大于13.8 W，功率增益大于12.4 dB，效率大于37.9%，輸入回波損耗小于-8.5 dB。

[1] 黃曉蘭，等. 功率RF LDMOS的關(guān)鍵參數(shù)研究[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2006,12.

[2] M M 拉德馬內(nèi)斯. 射頻與微波電子學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006.

[3] Richard Chi-Hsi Li. 射頻電路工程設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[4] 耦合，隔直和旁路電容的精度選擇[J].MPD微波產(chǎn)品文摘，2001, 09.