VHF頻段寬帶大功率LDMOS功放電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

夏 達(dá)，孫衛(wèi)忠

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

甚高頻(Very High Frequency，VHF)頻段雷達(dá)工作在30 MHz～300 MHz，因其作用距離遠(yuǎn)、反隱身性能好以及發(fā)現(xiàn)反輻射導(dǎo)彈(ARM)的能力強(qiáng)得到了廣泛的應(yīng)用。

橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(Lateral Diffusion Metal Oxide Semiconduction，LDMOS)場效應(yīng)管作為一種性價(jià)比很高的器件，自20世紀(jì)80年代應(yīng)用以來一直在通信系統(tǒng)的固態(tài)功放中起著主導(dǎo)作用。隨著它向高頻率、大功率和寬帶的方向發(fā)展，憑借在線性、增益、成本、可靠性等方面的優(yōu)良性能，其應(yīng)用領(lǐng)域迅速推廣，近年來開始廣泛應(yīng)用在微波雷達(dá)領(lǐng)域［1］。

隨著LDMOS技術(shù)的不斷發(fā)展，以國外NXP公司和FREESCALE公司為代表的生產(chǎn)廠家，已發(fā)展出第九代LDMOS功率管技術(shù)，在輸出功率、防靜電能力、抗駐波能力等方面都有明顯的改進(jìn)［2］。最新研發(fā)的LDMOS射頻功率管工作頻率為DC 600 MHz，典型輸出功率達(dá)到1 200 W，抗駐波能力為65∶1不損壞。

本文運(yùn)用同軸巴倫寬帶匹配技術(shù)，采用同軸巴倫進(jìn)行功率管的匹配，通過使用磁性材料擴(kuò)展工作帶寬，設(shè)計(jì)出使LDMOS功率管在VHF頻段100%相對帶寬內(nèi)，輸出功率大于1 000 W，效率大于70%，帶內(nèi)波動(dòng)優(yōu)于1 dB的功放電路。

1 電路設(shè)計(jì)

由于本文設(shè)計(jì)的VHF功放具有相對帶寬寬、輸出功率大等特點(diǎn)，在電路設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注了功率管大信號(hào)模型阻抗參數(shù)提取、寬帶巴倫匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)和ADS軟件仿真設(shè)計(jì)三個(gè)方面。

1.1 大信號(hào)模型阻抗參數(shù)

與小信號(hào)條件下實(shí)現(xiàn)最大傳輸增益的共軛匹配和實(shí)現(xiàn)最小噪聲系數(shù)的最佳源反射系數(shù)匹配等設(shè)計(jì)原則不同，大功率放大電路設(shè)計(jì)通常以最佳負(fù)載阻抗匹配為目標(biāo)。利用ADS軟件對該功率管在中心頻率f0做負(fù)載牽引仿真，使用諧波平衡法分析其功率及效率最佳匹配點(diǎn)。

具體過程是:功率管在給定的輸入功率下，優(yōu)化增益和效率指標(biāo)，得到最佳條件下的負(fù)載阻抗ZL;保持最佳負(fù)載阻抗ZL不變，不斷掃描源阻抗得到最佳源阻抗ZS;通過不斷迭代仿真，最終得到功率管大信號(hào)模型下的源阻抗ZS和負(fù)載阻抗ZL。

圖1是利用ADS軟件仿真得出的該功率管在中心頻率f0處的負(fù)載阻抗參數(shù):

圖1 中心頻率f0的負(fù)載阻抗參數(shù)的提取

由于該功率管增益余量較高，故對源阻抗的匹配可以采用通用的阻抗變換形式(1∶4)去實(shí)現(xiàn)。

1.2 寬帶巴倫設(shè)計(jì)

同軸電纜變換器(巴倫)為RF功率放大器的寬頻帶工作提供了可能性，它由套上鐵氧體磁芯的一段同軸電纜或直接繞在鐵氧體磁芯上的同軸電纜構(gòu)成［3］。其實(shí)際結(jié)構(gòu)處于集中參數(shù)與分布參數(shù)之間。在低頻端，它的等效電路可用傳統(tǒng)的低頻變換器描述，其原理圖如圖2所示。

圖2 低頻變換器原理圖

為了避免產(chǎn)生任何諧振現(xiàn)象，特別是引起復(fù)數(shù)負(fù)載實(shí)質(zhì)上的幅度波動(dòng)增加，傳輸線的長度應(yīng)該根據(jù)以下條件選?。?］

本文采用的同軸巴倫結(jié)構(gòu)如圖3所示，同軸電纜T1和T2的特征阻抗為16 Ω，能實(shí)現(xiàn)源阻抗對負(fù)載阻抗為1∶9的阻抗變換。具體分析如下:T1或T2的內(nèi)外導(dǎo)體可以等效為圖4所示的傳輸線。

圖3 1∶9同軸巴倫變換器

圖4 同軸巴倫內(nèi)外導(dǎo)體等效示意圖

其中，電流大小相同，流向相反，電壓幅度ΔV1=ΔV2。

根據(jù)上述等效示意圖將1∶9同軸巴倫變換器等效，如圖5所示。

圖5 1∶9同軸巴倫變換器等效示意圖

根據(jù)圖5，得到如下計(jì)算結(jié)果

故使用圖3所示寬帶巴倫能實(shí)現(xiàn)源阻抗對負(fù)載阻抗1∶9的阻抗變換。在巴倫阻抗變換推導(dǎo)過程中，由于沒有涉及工作頻率，理論上該電路的帶寬從最高截止頻率往下都可以適用，因此該電路帶寬非常寬，完全可以滿足所需要的帶寬。

1.3 ADS仿真分析

根據(jù)大信號(hào)模型，使用ADS軟件進(jìn)行負(fù)載牽引的仿真，得到其輸出阻抗參數(shù)。然后選擇同軸巴倫進(jìn)行匹配，使用諧波平衡法仿真，得到其設(shè)計(jì)電路的增益、效率等相關(guān)指標(biāo)參數(shù)［5］。

使用ADS軟件建立的電路原理圖，如圖6所示。

圖6 ADS軟件諧波平衡法仿真原理圖

由圖6可以看出，柵極電壓Vlow=3.05 V，漏極電壓Vhigh=50 V，輸入功率RFin=36 dBm。

仿真得到其增益和效率曲線，如圖7所示。

圖7 增益和效率仿真曲線

通過ADS軟件進(jìn)行仿真分析，我們得到該LDMOS功放的增益和效率仿真曲線。其增益大于24.4 dB，效率大于70%，與設(shè)計(jì)目標(biāo)接近。

2 電路實(shí)現(xiàn)與測試結(jié)果

2.1 電路實(shí)現(xiàn)

針對以上仿真結(jié)果，我們設(shè)計(jì)了LDMOS功率模塊?？紤]到其輸出功率較大，對熱設(shè)計(jì)也相應(yīng)提出更高的要求。同時(shí)考慮到工作頻率較低，印制板介電常數(shù)對電路性能的影響較小，最后選取普通聚四氟乙烯印制板作為介質(zhì)基板。這既節(jié)約了成本，同時(shí)對電路性能的影響也微乎其微。

在功率管散熱問題的解決上，我們采取將功率管法蘭盤通過大面積焊接工藝直接焊接至銅底板上的辦法。由于銅底板熱傳導(dǎo)性能較好，能將LDMOS功率模塊工作時(shí)產(chǎn)生的熱量迅速傳導(dǎo)出去，提高長期工作的可靠性［6］。

圖8為實(shí)際研制完成的LDMOS功率模塊，其外形尺寸為125 mm×75 mm。

圖8 LDMOS功率模塊實(shí)物

2.2 測試結(jié)果

測試結(jié)果如表1所示。

表1 LDMOS功率模塊測試結(jié)果

與仿真結(jié)果對比，如圖9所示。

圖9 實(shí)測與仿真數(shù)據(jù)對比

由測試結(jié)果可知，實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)結(jié)合較好，該功率模塊在VHF頻段100%相對帶寬內(nèi)，實(shí)現(xiàn)輸出功率大于1 kW，效率大于70%的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 結(jié)束語

隨著VHF頻段雷達(dá)對發(fā)射機(jī)的帶寬和功率要求越來越高，寬帶大功率功放電路成為其組成的基本單元。本文采用最新研發(fā)的LDMOS功率管設(shè)計(jì)了一種VHF頻段寬帶大功率功放模塊，通過對比ADS仿真結(jié)果與實(shí)物測試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性。文中的寬帶巴倫匹配技術(shù)為低頻段大功率LDMOS功率管提供了一種可行的匹配方法，可應(yīng)用于同類型功放電路的設(shè)計(jì)中，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

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［2］ 鄭 新.三代半導(dǎo)體功率器件的特點(diǎn)與應(yīng)用分析［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2008，30(7):12-15.Zheng Xin.Characteristics and application analysis of semiconductor power devices for three generations［J］.Modern Radar，2008，30(7):12-15.

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［4］ Andrei Grebennikov.射頻與微波功率放大器設(shè)計(jì)［M］.張玉興，趙寶飛，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2006.Andrei Grebennikov.Design of RF and microwave power amplifier［M］.Zhang Yuxing，Zhao Baofei，translate.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

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