一種小型高性能UHF頻段150 W放大器設(shè)計(jì)

魏利郝，盛榮志，甄建勇，陳小兵

(中國電子科技集團(tuán)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(dá)、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。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)的高性能小型化已經(jīng)成為了一個(gè)必然的發(fā)展趨勢［3］，而微波功率放大器的高性能小型化是實(shí)現(xiàn)整個(gè)電子系統(tǒng)高性能小型化的重要環(huán)節(jié)之一。為了實(shí)現(xiàn)功率放大器的高性能小型化，必須從設(shè)計(jì)方案到電路實(shí)現(xiàn)都應(yīng)仔細(xì)考慮，以盡量減小體積、提高性能指標(biāo)［4］。

選用中功率的LDMOS功率管、使用傳輸線變壓器實(shí)現(xiàn)寬帶匹配、通過帶狀線寬邊耦合3 dB電橋完成分/合路、采用全面的控制保護(hù)電路［2］，研制了一種寬帶、大功率、小型化及高效率的UHF頻段150 W放大器。

1 設(shè)計(jì)方案

放大器需要在UHF頻段150 W功率輸出、增益55 dB、諧波20 dBc及效率45%以上的指標(biāo)要求，因此需要采用多級級聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過設(shè)計(jì)放大器共采用4級放大器級聯(lián)，推動(dòng)級由小功率和中功率功放管3級級聯(lián)而成，末級放大器由多只功率管并聯(lián)輸出，其中末級放大器的效率必須滿足50%以上的效率、25 dBc以上的諧波要求。為了提高諧波抑制指標(biāo)要求，分合路器采用180°和90°同時(shí)使用，以提高放大器的偶次諧波和奇次諧波抑制。為了提高放大器的可靠性，設(shè)計(jì)了全面的控制保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)過溫、過駐波和過激勵(lì)等保護(hù)功能，電路原理如圖1所示。

圖1 放大器原理

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

2.1 功率管的選擇

微波功率管是放大器的核心器件［5］，選擇得好壞直接影響到放大器指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。在UHF頻段研制大功率LDOMS功率管［6］的廠家很多，功率管種類也很多，例 如:BLF546、BLF548、BLF369、BLF573s、MRF6V2150N、 MRF184、 MRF177、 MRF275、MRF6V2300N、D1009UK和UF28150等，效率都在50%～60%之間。每種管子都有自己的特點(diǎn)，輸出功率大的管子管芯功率密度大、體積小、可靠性高，但散熱密度也大;輸出功率小的管芯功率密度小、體積大、可靠性很高，但散熱密度小，如何選擇合適的功率管是一個(gè)關(guān)鍵問題。

小型化設(shè)計(jì)對散熱提出了更高的要求，為了提高功率放大器的高可靠性及適應(yīng)性，需要采用散熱要求不苛刻、散熱密度小及可靠性高的功率管，結(jié)合輸出功率余量、體積和諧波指標(biāo)的要求，根據(jù)調(diào)研及大量的測試實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)，最終選用4只60 W的MRF184功率管，通過巴倫合路和3 dB電橋合路合成輸出150 W以上的功率指標(biāo)。

2.2 匹配電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

匹配電路設(shè)計(jì)是放大器設(shè)計(jì)過程中最關(guān)鍵的一環(huán)，放大器的設(shè)計(jì)主要就是對匹配電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。放大器輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)在于實(shí)現(xiàn)比較大的功率增益和工作帶寬;輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)在于獲得最大的輸出功率和工作效率。

放大器的工作頻段為225～400 MHz，頻帶比較寬，使用集總參數(shù)較難實(shí)現(xiàn)寬帶，使用微帶線進(jìn)行匹配體積太大，傳輸線變壓器具有體積小、頻帶寬和阻抗變換比設(shè)計(jì)方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在平衡轉(zhuǎn)換及阻抗變換中［7］。

3 設(shè)計(jì)仿真

3.1 末級放大器匹配電路設(shè)計(jì)

末級放大器采用4只功率管MRF184進(jìn)行功率管合成，MRF184阻抗在6 Ω左右，為了提高偶次諧波抑制，采用推挽式電路結(jié)構(gòu)形式。需要將阻抗變換到50 Ω，阻抗變比為比較大，采用巴倫分路實(shí)現(xiàn)180°分合路，實(shí)現(xiàn)2只管子的推挽結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)1∶2的阻抗變比，再通過 1∶4的傳輸線變壓器［8，9］，實(shí)現(xiàn)1∶8的阻抗變換。電路如圖2所示。

圖2 末級放大器電路

輸入巴倫、輸出巴倫使用50 Ω射頻線SFX50－2半柔線，長度9 cm，完成180°分合路及1∶2的阻抗變換功能。輸入、輸出傳輸線變壓器使用FST-25-2半鋼線，長度8 cm，完成1∶4的阻抗變換，2只管子的根部安裝調(diào)節(jié)匹配電容，調(diào)節(jié)功率管的匹配。調(diào)試后放大器的增益大于15 dB，2只功率管輸出功率大于100 W，效率大于54%。

3.2 3 dB電橋設(shè)計(jì)

為了提高放大器的奇次諧波抑制，放大電路中采用了90°相位差的3 dB電橋進(jìn)行分路、合路。寬邊耦合帶狀線電橋結(jié)構(gòu)具有插入損耗小、兩端口相位和幅值均衡度好、功率容量大、體積小及便于裝配等特點(diǎn)，是一種很好的大功率合成方式［5］。寬邊耦合帶狀線的阻抗(偶模阻抗ZOo和奇模ZOe)近似公式如下［10］:

式中，W為帶線寬度;S為帶線間距;b為板間距;εr為介質(zhì)基片的相對介電常數(shù);ε為介質(zhì)基片的介電常數(shù);Cje、Cjo為平行耦合帶狀線的邊緣電容［11］。從式(1)和式(2)可得阻抗與帶線間的距離S、帶線寬度W及板間距b是直接相關(guān)的，計(jì)算比較繁瑣工程上常用相關(guān)軟件來設(shè)計(jì)，本文使用Ansoft軟件對其應(yīng)用進(jìn)行仿真和計(jì)算，使用Ansoft軟件進(jìn)行電路和電磁場仿真，3 dB電橋電路和電磁場仿真結(jié)構(gòu)如圖3所示。

通過仿真后印制板選用聚四氟乙烯板材，介電常數(shù)為2.2，帶狀線印制板厚度為3 mm，寬邊耦合印制板厚度為0.254 mm，通過電路仿真和電磁場仿真計(jì)算出最佳的印制板結(jié)構(gòu)。

圖3 3 dB電橋仿真圖

3.3 小型化設(shè)計(jì)

現(xiàn)代電子設(shè)備對體積要求很嚴(yán)格，小型化設(shè)計(jì)尤為重要［12］，設(shè)計(jì)中采用何種功率器件作為末級放大最節(jié)省體積，并且易于實(shí)現(xiàn)是設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)。前級推動(dòng)實(shí)現(xiàn)相對容易，但如何合理的分配各級增益，選擇何種器件來實(shí)現(xiàn)等問題直接關(guān)系整個(gè)功放的最終體積。

放大器采用整體設(shè)計(jì)方法，將放大器作為一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，綜合考慮各級功率器件、分配器、合成器以及外圍電路之間的參數(shù)匹配，采用系統(tǒng)部件之間的參數(shù)耦合彌補(bǔ)單部件性能的不足，獲得放大器系統(tǒng)較高的整體性能。

緊湊的匹配電路形式，UHF頻段的功放基本上是倍頻程工作，同時(shí)工作波長較長，采用1∶4傳輸線變壓器作為末級放大器的匹配方式，有效地縮減了匹配電路的體積。

為了減小體積、重量，放大器屏蔽盒作為一個(gè)整體進(jìn)行加工，采用鋁板材，盒體內(nèi)部進(jìn)行分腔，減小放大電路級間影響，盒體內(nèi)部對沒有散熱的部位進(jìn)行掏空處理，減小重量。

4 加工及性能測試

放大器加工完成后進(jìn)行了調(diào)試，放大器的增益、功率都滿足要求。常溫調(diào)試后進(jìn)行高低溫試驗(yàn)測試，所有溫度下滿足指標(biāo)要求，最終的整機(jī)輸入駐波比小于1.2∶1、諧波抑制優(yōu)于22 dBc、效率優(yōu)于45.5%，屏蔽盒的體積為241 mm×106 mm×31 mm、重量小于1.52 kg、輸出功率和增益指標(biāo)如表1所示。放大器的實(shí)物照片如圖4所示。

表1 放大器測試結(jié)果

圖4 150 W放大器實(shí)物

5 性能測試結(jié)果分析

由放大器的測試結(jié)果分析，小型高性能UHF頻段150 W放大器的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足系統(tǒng)要求，并通過了環(huán)境試驗(yàn)測試，在－40°～+55°的高低溫環(huán)境下各項(xiàng)指標(biāo)變化不大，均滿足要求。

為了提高功率放大器的高可靠性及適應(yīng)性，不能使用輸出功率密度高、功耗密度大的功率管，只能采用高效率的小功率進(jìn)行合成，由于有合路器的損耗，降低了模塊整體的效率，但提高了可靠性，

6 結(jié)束語

使用高可靠性、高效率功率管，采用傳輸線變壓器進(jìn)行阻抗匹配，使用巴倫線和3 dB電橋進(jìn)行分合路，通過小型化設(shè)計(jì)研制的UHF頻段150 W功率放大器，測試放大器各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，實(shí)際使用表明其工作穩(wěn)定、可靠性高，具有很高的工程實(shí)用價(jià)值。為了提高可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)采用了中功率的管子進(jìn)行合成的方案，但體積不是最優(yōu)，下一步可采用高壓的LDMOS功率管，可進(jìn)一步提高效率、減小體積，但由于熱密度大，對散熱要求比較苛刻。

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