L波段固態(tài)大功率放大器的設(shè)計(jì)分析

楊波 張駿

【摘 要】本文對(duì)L波段固態(tài)大功率放大器的設(shè)計(jì)的進(jìn)行了具體分析，并以LDMOS高功率微波晶體管為對(duì)象，給出了設(shè)計(jì)方法。

【關(guān)鍵詞】L波段；放大器；LDMOS；ADS

一、引言

射頻功率放大器在雷達(dá)、無線通信、導(dǎo)航、衛(wèi)星通訊、電子對(duì)抗設(shè)備等系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代無線通信的關(guān)鍵設(shè)備。大功率放大器在微波功率放大器中扮演者重要的角色，直接影響整個(gè)系統(tǒng)鏈路的作用距離和覆蓋范圍。L波段大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)可用于空軍、海軍的雷達(dá)、通信、導(dǎo)航，還可推廣應(yīng)用于遠(yuǎn)程、近程等各類航管雷達(dá)系統(tǒng)，以及電子戰(zhàn)設(shè)備、醫(yī)電、儀器儀表等。在軍事和個(gè)人通信系統(tǒng)中的地位非常重要，因而開展L波段大功率固態(tài)功放的研究具有十分重要的意義。

二、L波段大功率放大器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：輸出功率：大于57dBm；輸入功率：0dBm；工作頻率：1.2GHz～1.4GHz；脈沖寬度：10μs；占空比：10%；雜散抑制：優(yōu)于60dB；諧波抑制：優(yōu)于60dB；增益平坦度：±0.5dB；脈沖頂部不平度：小于0.5dB；輸入輸出阻抗：50歐姆；輸出開路保護(hù)；工作溫度：-55℃～75℃。

（一）技術(shù)指標(biāo)分析及方案設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)功率放大器之前，必須對(duì)放大器的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行可行性分析，提出可行的設(shè)計(jì)方案，采用合適的微波技術(shù)，保證技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均是可行的。根據(jù)以上指標(biāo)分析，可采用如下圖1方案進(jìn)行。

A：第一級(jí)放大，增益不小于13dB，輸出P1dB不大于14dBm；B：第二級(jí)放大，增益不小于14dB，輸出P1dB不小于27dBm，該級(jí)采用負(fù)反饋，控制輸出穩(wěn)定在26dBm，保證第三級(jí)的輸入功率穩(wěn)定、平坦；C：第三級(jí)放大，增益不小于18dB，輸出不小于44dBm，采用飽和放大，，輸出進(jìn)行溫度補(bǔ)償和濾波，使輸出穩(wěn)定在42dBm±0.25dB；D：D1與D2采用90°電橋，E1、E2采用平衡放大。電橋損耗不大于0.2dB，駐波不大于1.2；E：E1、E2采用相同的功率管，增益不小于18dB，輸出功率不小于55dBm。

（二）功率管的選擇

選擇功率管時(shí)，首先要考慮功率管的功率、耐壓和使用頻率，最大額定輸出功率應(yīng)大于要求的輸出功率，對(duì)最大容許工作電流、最大耗散功率、最高允許結(jié)溫度，和各級(jí)耐壓等均應(yīng)留有余量。根據(jù)以上方案，可選取滿足的設(shè)計(jì)的功率管：A（ERA-21SM，Mini），B（AH125，Triquint），C（BLL6H0514-25，NXP），E（MRF6V14300H，freescale）。第一級(jí)放大輸出13dBm，第二級(jí)放大輸出26dBm，第三級(jí)放大輸出不低于41dBm～42dBm，單路第四級(jí)放大輸出不低于55dBm。

（三）工作狀態(tài)確定

對(duì)功率管E采用AB類放大，可以保證較高的漏極效率。靜態(tài)工作點(diǎn)定為：VDD =50Vdc，ID=150mAdc，VGS（Q）=2.4V。同一型號(hào)不同的功率管，開啟電壓不相同，可根據(jù)實(shí)際開啟電壓調(diào)整靜態(tài)供電。對(duì)于無線性要求的脈沖功率放大，在開啟電壓相差不大的情況，設(shè)計(jì)時(shí)可以以開啟電壓的典型值確定。功率管C采用AB類放大，靜態(tài)工作點(diǎn)定為：VDD =50Vdc，ID=50mAdc，VGS（Q）=1.8V。

（四）匹配電路設(shè)計(jì)

一般L波段的大功率功率管都需要設(shè)計(jì)外部的匹配電路，實(shí)現(xiàn)最大的傳輸功率或者傳輸效率。功率管C和功率管E需要設(shè)計(jì)外部的匹配電路，保證在1.2GHz～1.4GHz的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大傳輸功率（因該方案為占空比不大的脈沖功放，所以可以偏重最大輸出功率）。通過ADS的負(fù)載牽引設(shè)計(jì)，功率管C、E的阻抗如下表1所示。

輸入匹配電路主要解決穩(wěn)定性、增益、增益平坦度、輸入駐波等問題。輸出匹配電路用來完成放大器的輸出端口與負(fù)載之間的匹配，其主要作用是提高輸出功率、改善輸出駐波比和抑制諧波。

（五）供電電源、儲(chǔ)能電容需求設(shè)計(jì)

對(duì)于工作在脈沖狀態(tài)下的功率放大器，需要功率管的電源有足夠的響應(yīng)速度，通常需要使用不用容值和類型的電容器來滿足脈沖狀態(tài)下的供電需求，保證脈沖頂部不平度。10μF以內(nèi)可以使用瓷介質(zhì)電容器，10μF以上應(yīng)考慮鉭電解電容器。儲(chǔ)能電容的需求具體由保證功率管穩(wěn)定輸出的前提下，允許電源下下降的最大電壓差計(jì)算確定。功率管C供電電壓為50V，輸出功率44dBm左右，在對(duì)50V進(jìn)行穩(wěn)壓設(shè)計(jì)的同時(shí)，儲(chǔ)能電容不低于100μF，類別電壓不低于68V。功率管E供電電壓為50V，輸出功率55dBm左右，單個(gè)儲(chǔ)能電容不低于300μF。平衡放大的E1、E2可以使用同一路電源供電，總電容量不低于600μF，類別電壓不低于68V。

（六）放大器級(jí)間溫度補(bǔ)償

前三級(jí)均采用飽和放大，能保證在-55℃～75℃的溫度范圍內(nèi)輸出較為穩(wěn)定的功率值，所以第四級(jí)放大是溫度補(bǔ)償?shù)闹攸c(diǎn)。在第三級(jí)輸出增加一個(gè)2dB的負(fù)溫的衰減器，對(duì)第四級(jí)進(jìn)行補(bǔ)償，溫度系數(shù)：0.007dB/dB/℃。-55℃時(shí)衰減增大1.12dB，75℃時(shí)衰減減小0.7dB。功率管E在環(huán)境溫度內(nèi)最大變化范圍為±1dB。補(bǔ)償后，放大器功率輸出在-55℃時(shí)減小0.12dB，在75℃時(shí)減小0.3dB，變化范圍減小至-0.3dB以內(nèi)。該值為設(shè)計(jì)估計(jì)值，在調(diào)試時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整衰減器的值或溫度系數(shù)，以達(dá)到最佳的輸出效果。

（七）散熱設(shè)計(jì)

本方案采用自然散熱，功率管C、E為主要散熱器件。功率管C的結(jié)溫Tj=200℃，內(nèi)阻RTj=0.86℃/W，熱耗散功率P=2.5W；功率管E的結(jié)溫Tj=200℃，內(nèi)阻RTj=0.13℃/W，熱耗散功率P=33W。功率管螺裝，取接觸熱阻RTC=0.24℃∕W，最高工作溫度Ta=75℃。根據(jù)計(jì)算公式：S=1/α（（Tj-Ta）/P-RTj-RTC），α取7W∕﹙m2·℃），工程經(jīng)驗(yàn)值?？捎?jì)算出散熱所需總面積為：2921+41797×2=86515mm2。

三、結(jié)論

通過對(duì)L波段大功率放大器的指標(biāo)分析，從方案開始分步設(shè)計(jì)，給出了大功率放大器的設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)方法。文中既有理論分析，也有工程經(jīng)驗(yàn)，兩者結(jié)合能有效的控制成本和減小技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

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