VHF波段寬帶連續(xù)波大功率雙通道功放組件的設(shè)計*

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(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

甚高頻(Very High Frequency, VHF)頻段因其作用距離遠、反隱身性能好以及發(fā)現(xiàn)反輻射導(dǎo)彈(ARM)的能力強，因而在雷達和電子對抗領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

VHF波段作為反隱身的優(yōu)選頻段之一，設(shè)計VHF波段超寬帶連續(xù)波高功率功放組件則是實現(xiàn)反隱身的重中之重。本功放組件應(yīng)用于某機載電子對抗系統(tǒng)，滿足機載平臺小型化遠距離干擾的要求，解決了對于超寬帶、連續(xù)波大功率及線性要求帶來的電磁兼容、散熱和小型化問題。對組件的電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)布局、電磁兼容設(shè)計、熱設(shè)計等進行了詳細的介紹。

1 設(shè)計方法

1.1 技術(shù)指標

1) 頻率范圍：VHF波段

2) 工作帶寬：250 MHz

3) 工作方式：CW

4) 輸出功率：每個通道不小于350 W(1個組件2個發(fā)射通道)

5) 三階交調(diào)抑制：≥15 dBc

6) 帶外諧波及雜散抑制：≥60 dBc

7) 工作溫度：-40～55 ℃

8) 冷卻方式：液冷

1.2 電訊設(shè)計

從整體指標的要求看，難點在于功放組件多個技術(shù)指標之間相互制約，如有源器件增益-帶寬積的制約，使得在VHF波段110%相對帶寬內(nèi)，組件的功率增益受限；要求組件在大功率連續(xù)波狀態(tài)下工作，同時具有小型化和線性特性，采用功率回退的方式能夠滿足線性要求，必然會以犧牲功放的效率為代價，也給組件的熱設(shè)計增加了相當(dāng)大的難度。因此對于某些指標的相互制約，需要全局考慮，優(yōu)化設(shè)計。

為了減小重量和體積，滿足其他指標要求，本功放組件采用雙面結(jié)構(gòu)，即兩個發(fā)射通道分別置于組件的兩面，具有獨立控制、獨立工作功能。模塊化設(shè)計中，組件組成包括驅(qū)動功放、功率分配、雙管功放模塊、功率合成、末級濾波和BITE單元。

電訊設(shè)計的目標是達到1.1節(jié)中技術(shù)指標要求，并考慮組件內(nèi)部電磁兼容及熱設(shè)計等，這就需要有一個合理的電路拓撲結(jié)構(gòu)及合理的結(jié)構(gòu)布局。本著結(jié)構(gòu)簡潔、工作穩(wěn)定可靠的基本原則，組件采用兩級放大，前級輸出為41 dBm左右的驅(qū)動功放，末級為450 W的雙管功放模塊。組件組成框圖如圖1所示。

1.2.1 驅(qū)動功放設(shè)計

根據(jù)總體指標要求，采取兩級級聯(lián)放大，驅(qū)動功放的主要指標要求如下：

1) 輸入功率：10 dBm

2) 輸出功率： 41 dBm±1 dB

3) 帶內(nèi)諧波抑制：≤-20 dBc

4) 三階交調(diào)抑制：≤-30 dBc(雙音間隔為 5 MHz)

5) 輸出功率控制：調(diào)節(jié)范圍0～30 dB，調(diào)節(jié)步進3 dB，調(diào)節(jié)精度優(yōu)于0.5 dB(422串口控制)

6) 輸出信雜比：≤-65 dB

7) 工作電壓：+28 V

驅(qū)動功放的主要功能是將收發(fā)系統(tǒng)送來的10 dBm左右連續(xù)波激勵信號進行放大，得到幅度約為41 dBm的功率輸出，然后送至末級驅(qū)動雙管功放模塊。考慮到IMD3抑制及帶內(nèi)諧波要求，為了避免驅(qū)動級的交調(diào)指標對后一級放大產(chǎn)生不利影響，一般情況下，采用回退法設(shè)計的級聯(lián)放大器最終IMD3取決于末級IMD3，驅(qū)動功放的IMD3不需要設(shè)計得很低，只要優(yōu)于整體指標要求的10～15 dBc即可，這樣對后一級功放的交調(diào)指標惡化影響較小，僅僅惡化2 dB左右，這是可以容忍的。通過實驗分析和驗證，驅(qū)動級三階交調(diào)指標不大于-30 dBc(雙音間隔為5 MHz)，帶內(nèi)諧波抑制不大于-20 dBc確保不會對后一級造成指標惡化。

驅(qū)動功放位于放大鏈第一級，功率相對較小，易于控制處理。因此將射頻開關(guān)和輸出功率控制集成在驅(qū)動功放內(nèi)，當(dāng)功放組件出現(xiàn)嚴重故障時，驅(qū)動功放接收BITE單元送來的控制信號，關(guān)斷射頻和柵壓，從而使整個組件停止工作，實現(xiàn)整個功放組件的故障保護功能。

1.2.2 末級功放設(shè)計

組件的關(guān)鍵部分是末級功放模塊，而末級功放模塊的核心器件是功率管。經(jīng)過權(quán)衡比較，選用平衡推挽工作方式的LDMOS管作為末級功放的功放管，LDMOS管的輸入阻抗高、線性好、熱穩(wěn)定性高、抗失配能力強，抗駐波能力為65∶1不會損壞，且器件內(nèi)180°相位差虛擬地降低了共模電感，增加了穩(wěn)定性和工作帶寬，還能抑制偶次諧波等[1]，適合作為本功放模塊的功率放大管。

為了達到組件連續(xù)波輸出功率不小于350 W，如果選擇LDMOS功率管單管來實現(xiàn)，單從輸出功率要求來說，也能夠滿足要求，放大鏈中少了合成器的損耗，大功率濾波器的損耗為0.65 dB，要求單管輸出在410 W以上方能滿足要求，考慮功放的線性要求，采取功率回退方式，若功率回退3 dB，工作效率為50%，那么單管熱耗為800 W以上，以至于熱量過于集中，若再采取雙面結(jié)構(gòu)小型化設(shè)計，通過熱仿真計算分析，幾乎不可能滿足散熱要求，功放組件的可靠性也無法保證。若用雙管合成的方式，由于功率合成器和大功率濾波器的總插損約為1.1 dB，末級功放模塊輸出功率達到450 W以上即可滿足組件輸出功率的要求，雙管模塊每個功率管的熱耗還不到單管熱耗的1/2，使熱量得到分散，有效減小熱流密度。同時適當(dāng)提高驅(qū)動功放的線性指標，讓末級功放盡量靠近飽和工作區(qū)，這樣不僅可以提高效率，還可以進一步減小熱耗，降低熱設(shè)計難度。從上述對比分析可知，采取雙管合成可以分散熱點，大大減小熱設(shè)計難度，更易于實現(xiàn)組件的雙面結(jié)構(gòu)，滿足小型化要求。

為了滿足寬帶線性大功率的要求，解決集中元件匹配無法滿足要求的寬帶匹配問題，在整個帶寬內(nèi)獲得最大的線性輸出功率和足夠的增益，末級功放模塊采用同軸巴倫寬帶匹配技術(shù)，用同軸巴倫作為功率管輸入輸出匹配，擴展帶寬。1∶1巴倫結(jié)構(gòu)的傳輸線變壓器應(yīng)用于推挽功率放大電路作為功率分配和功率合成，由1∶1巴倫構(gòu)成的4∶1巴倫TLT作為輸入、輸出匹配, 高頻端的級間匹配還需要加上電容、電感集中匹配網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)寬帶線性功率匹配。為了避免產(chǎn)生電路諧振，特別是引起復(fù)數(shù)負載實質(zhì)上的幅度波動增加，傳輸線巴倫的長度應(yīng)不大于最高頻率的1/8波長，雙管模塊中單個功率管的輸入、輸出匹配電路圖如圖2所示。

輸入巴倫T1特征阻抗為50 Ω，將驅(qū)動功放送來的驅(qū)動信號均分成兩路送給末級雙管模塊，巴倫T2，T3特征阻抗為12.5 Ω，實現(xiàn)1∶4的阻抗變換，將功率管輸入阻抗與源阻抗50 Ω匹配。T4和T5特征阻抗為25 Ω，實現(xiàn)4∶1的阻抗變換，將功率管的輸出阻抗匹配到負載阻抗50 Ω。功率管輸入、輸出之間增加負反饋電路，改善功放的平坦度，降低功率起伏。參考電路仿真結(jié)果以及雙管模塊在實際工作情況來確定最佳靜態(tài)工作點，最終將柵極電壓設(shè)為Vg=1.8 V，為了提高末級雙管功放模塊的可靠性和線性指標，將漏極工作電壓降額到+48 V。末級雙管模塊的每個功率管的輸出連續(xù)波功率在280 W以上，雙管合成輸出連續(xù)波功率不小于450 W。圖3為實際研制完成的LDMOS末級雙管功放模塊實物圖。為了實現(xiàn)組件小型化，將兩個發(fā)射通道分置于組件兩面的雙面結(jié)構(gòu)設(shè)計，每個發(fā)射通道的末級功放模塊輸出后經(jīng)3 dB電橋完成寬帶大功率合成，分散熱量，從而降低組件的熱設(shè)計難度。對于帶外雜散抑制要求，采取在末級輸出端進行濾波，減少驅(qū)動級后濾波設(shè)計，其優(yōu)點是減小了組件的尺寸和重量，還可直接濾除末級功放模塊產(chǎn)生的雜散信號，缺點是增加了寬帶大功率濾波器的設(shè)計難度。

2 組件的BITE與電磁兼容設(shè)計

該固態(tài)功放組件內(nèi)有完善的BITE。由于空間的限制，對組件的BITE進行模塊化設(shè)計，將微波檢測信號和小信號處理電路一體化集成。除了能夠檢測組件內(nèi)部RF的輸入/輸出故障、過溫故障、過反射故障及組件過/欠壓故障，還能在主監(jiān)控控制下完成開、關(guān)機，且輸出功率還可通過BITE接收主監(jiān)控的輸出功率調(diào)節(jié)命令，可分別實現(xiàn)雙發(fā)射通道的獨立調(diào)節(jié)功能，當(dāng)BITE檢測到組件過溫、過壓或者過反射故障時，能夠及時關(guān)斷該功放組件的工作電壓和射頻激勵，停止工作，達到故障保護的目的。

功放組件內(nèi)部信號復(fù)雜，既有模擬信號，又有數(shù)字信號，既有微波大功率信號，又有低頻大電流信號。設(shè)計時必須考慮不同信號之間可能產(chǎn)生的干擾，否則會影響功放組件甚至是整個系統(tǒng)的正常工作。電磁兼容設(shè)計的基本思路是良好的接地設(shè)計，嚴格區(qū)分數(shù)字地、模擬地、信號地；數(shù)字信號和模擬信號分腔隔離屏蔽設(shè)計；切斷電磁場耦合帶來線上干擾。

由于本功放組件使用于機載設(shè)備，電磁兼容需要通過10項試驗，難度最大的為“RE102電場輻射發(fā)射”項。首先要消除內(nèi)部電磁環(huán)境對功放組件的影響，提高功放組件自身的抗干擾能力，重點從內(nèi)外部電磁環(huán)境情況及結(jié)合功放組件的電路布局、組件殼體屏蔽、接地和濾波設(shè)計等幾方面進行考慮[2]。微帶電路板上的射頻信號與數(shù)字信號分開布局，射頻信號和數(shù)字信號之間盡量用地隔離[3]。固態(tài)微波功放組件的傳輸線是微帶線電路，微帶電路的上方是開放的空間，不可避免地會產(chǎn)生電磁場輻射干擾，尤其在VHF這種較低的微波頻段大功率信號對組件內(nèi)其他電路的影響更加明顯，增加了組件電磁兼容設(shè)計和調(diào)試的難度，為了消除這種不確定的因素，在電路設(shè)計中對RF信號的傳輸盡可能采用屏蔽性能好的同軸電纜，減少半開放微帶線的使用，降低輻射干擾；對各功能模塊進行分區(qū)設(shè)計成一個獨立的盒體屏蔽腔，以降低不同功能模塊之間相互影響。組件電壓取樣、過溫取樣、輸出功率檢波取樣等信號線遠離大功率微帶傳輸線，減小射頻輻射干擾，從而避免輻射干擾導(dǎo)致有用信號幅度明顯降低[4]，發(fā)生誤報故障現(xiàn)象出現(xiàn)。電源線采用有金屬網(wǎng)屏蔽層結(jié)構(gòu)的QLA線纜，電源連接器采用具有濾波功能的低頻連接器，可以濾除通過電源線耦合的射頻信號及其高次諧波信號。通過對組件內(nèi)部的良好接地，采取完善的屏蔽措施，以及對耦合到線纜的高頻信號盡心濾波等方法，實現(xiàn)組件的電磁兼容要求，經(jīng)過上述設(shè)計，結(jié)果全部達到指標要求。RE102測試結(jié)果如圖4(a)和圖4(b)所示。符合機載設(shè)備電磁兼容國軍標要求。

3 組件的熱設(shè)計

為了保證固態(tài)功放組件穩(wěn)定可靠工作，良好的散熱設(shè)計是必須的。據(jù)有關(guān)資料表明：晶體管的結(jié)溫每降低10℃，其壽命將增加一倍[5]。本功放組件具有雙發(fā)射通道，在大功率連續(xù)波狀態(tài)下同時工作，組件雙通道同時正常工作時總熱耗約為 1 100 W，主要的散熱部位在于熱耗最大的末級功放模塊中的功率管，也是主要熱源所在。末級功放模塊使用的是LDMOS功率管，單管最大熱耗為212 W，熱流密度最高達69 W/cm2左右， LDMOS管允許結(jié)溫為250℃左右，為保證管子的可靠性，實現(xiàn)降額設(shè)計。取管殼溫度為90℃，此時管子的最大結(jié)溫約為150℃，單管最大熱流密度已接近風(fēng)冷的臨界值，還要考慮到在整機實際使用中寬帶天線較大駐波帶來較大的反射功率產(chǎn)生的熱耗。風(fēng)冷已經(jīng)難以完成散熱要求，最終采用液冷方式散熱，液冷比風(fēng)冷散熱效率高得多，可以處理近100 W/cm2高熱流密度[6]。

通過實驗?zāi)Ｐ头治?，使用液冷時在每秒流量約為1 mL的情況下，單管殼溫比風(fēng)冷時降低約12℃，散熱效果明顯優(yōu)于風(fēng)冷，功率管的可靠性、穩(wěn)定性和使用壽命都得到極大提高。另外，功率管安裝采用大面積焊接工藝直接焊接在純銅板底上，提高散熱效率，為了減輕純銅底板重量，底板厚度盡量薄，最后利用ANSYSicepak軟件，進行熱仿真分析，確定水道結(jié)構(gòu)模型及冷卻媒質(zhì)的流速、流量等，以及純銅底板的最小厚度以及散熱翅片的尺寸和工藝要求。最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，用最小的重量和體積達到最大的散熱要求，既能滿足熱性能指標，又能達到電性能要求。圖5為功率管焊接安裝后X光檢測圖，焊接面之間無氣泡，保證功率管法蘭與底板之間良好接觸，減小熱阻。

圖6為組件正常工作時用成像測溫儀測得的功率管實際工作溫度，完全達到設(shè)計的預(yù)期目標。圖7為實際研制完成的功放組件實物圖，其外形尺寸長寬高為298 mm×200 mm×88 mm，重量為5.4 kg。

4 結(jié)果測試

發(fā)射系統(tǒng)通過了隨機振動、溫度沖擊和高低溫等環(huán)境試驗測試，證明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，各項技術(shù)指標均滿足要求，在整個工作頻帶內(nèi)，組件的工作效率在40%以上，達到了預(yù)期目標。單一通道處于不同環(huán)境溫度的輸出功率測試數(shù)據(jù)如圖8所示。圖9為三階交調(diào)和帶外雜散測試值。

5 結(jié)束語

本文對VHF波段寬帶大功率連續(xù)波線性功放組件的組成、工作原理、設(shè)計思路進行了較詳細的闡述，針對整體指標進行了分析，優(yōu)化設(shè)計，選用合適的器件，運用仿真手段完成電訊設(shè)計、結(jié)構(gòu)布局和熱設(shè)計，折中考慮指標間的相互制約影響，使功放組件的可靠性和功率輸出等各項指標得到最佳發(fā)揮。目前已完成各項試驗，并通過用戶驗收，應(yīng)用于某對抗設(shè)備，實際測試結(jié)果表明該組件工作穩(wěn)定可靠，完全滿足系統(tǒng)要求。