S頻段800 W室外型連續(xù)波固態(tài)功率放大器設(shè)計(jì)

李春輝，解冰一

(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

隨著射頻數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，特別是模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC/DAC)采樣速率的迅速提高(目前射頻輸入帶寬已達(dá)6 GHz)和工程應(yīng)用，為航天測控系統(tǒng)采用全數(shù)字化方案提供了可能。采用全數(shù)字化技術(shù)，傳統(tǒng)航天測控系統(tǒng)的信道變頻設(shè)備會被大幅簡化或消失，只剩下接收鏈路的低噪聲放大器和發(fā)射鏈路的固態(tài)功率放大器等設(shè)備。固態(tài)功率放大器相比于傳統(tǒng)的電真空功率放大器，具有體積小、可靠性高、工作電壓低、壽命長和安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在kW級功放設(shè)計(jì)中已占據(jù)主導(dǎo)地位[1-2]。

室外型固態(tài)功率放大器直接安裝在天線叉臂上，與室內(nèi)型相比，簡化了大功率饋線系統(tǒng)，即功放輸出功率直連到饋源發(fā)射端口，饋線中不再串入方位軸和俯仰軸的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，饋線損耗低，駐波和可靠性得到改善。小體積室外型高效率固態(tài)功率放大器就成為發(fā)射鏈路的重要設(shè)備。能研制出滿足指標(biāo)要求和用戶需求的大功率、高效率和高線性度的室外型固態(tài)功率放大器就尤為重要了。

1 總體設(shè)計(jì)

目前，S頻段LDMOS型單管最大輸出功率約350 W，考慮降額設(shè)計(jì)、熱耗散等因素，要實(shí)現(xiàn)800 W以上的功率輸出，功率合成是唯一的技術(shù)途徑[3-4]。通過二進(jìn)制樹型結(jié)構(gòu)功率合成網(wǎng)絡(luò)、鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)合成網(wǎng)絡(luò)和多路功率進(jìn)行一次性合成的徑向功率合成網(wǎng)絡(luò)的對比分析，采用8路徑向功率合成方案，同時(shí)使用移相技術(shù)輔助，用LDMOS功率管設(shè)計(jì)了室外型S頻段800 W固態(tài)功率放大器[5-6]。

1.1 高密度大功率合成設(shè)計(jì)

由前述可知，要實(shí)現(xiàn)S頻段800 W以上的功率輸出，功率合成是唯一的技術(shù)途徑。功率合成就是利用由微帶電路構(gòu)成的功分/合成網(wǎng)絡(luò)將輸入信號等幅分為n路，并按照一定的相位關(guān)系分配至n個(gè)由單管級聯(lián)組成的放大鏈路進(jìn)行功率放大，再通過合成網(wǎng)絡(luò)將各路放大鏈路的輸出功率進(jìn)行累加，總輸出功率約為放大鏈路的末級單管額定輸出功率的n倍，以突破單個(gè)功率器件輸出功率不足的限制。

功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的損耗決定了合成放大器的合成效率，基于微帶電路的功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，損耗會隨著頻率的升高而加大。特別是在多路合成網(wǎng)絡(luò)中，損耗會隨著合成路數(shù)的增加而成指數(shù)增長，這將會大幅降低整機(jī)合成效率，過大的損耗甚至?xí)购铣尚头糯笃魇?yīng)用的意義。目前，S頻段功率合成的方式較多，大致可以分為4類：利用半導(dǎo)體芯片串聯(lián)或并聯(lián)的芯片級合成、利用二進(jìn)制樹型結(jié)構(gòu)功率合成網(wǎng)絡(luò)、鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)合成網(wǎng)絡(luò)和多路功率進(jìn)行一次性合成的徑向功率合成網(wǎng)絡(luò)以及利用以上技術(shù)的混合合成技術(shù)等[7]。

綜合考慮輸出功率、合成效率、安裝結(jié)構(gòu)和工程實(shí)現(xiàn)性等因素，采用徑向功率合成方式來實(shí)現(xiàn)室外型S頻段800 W功放，原理如圖1所示。主要有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：路徑損耗低、合成效率高；單路放大單元模塊損壞只會造成輸出功率下降，不會整機(jī)失效。高可靠性的徑向功率合成技術(shù)，對減少電源消耗、降低設(shè)備散熱要求、提高設(shè)備可靠性、降低使用和維護(hù)成本都有重要意義。

圖1 8路徑向功率合成原理

功率分配器將輸入信號分成等幅、同相的8路信號后送8路放大單元進(jìn)行功率放大，再將8路放大單元輸出的150 W功率采用徑向功率合成方式合成一路后輸出，實(shí)現(xiàn)800 W額定功率輸出。在放大單元設(shè)計(jì)中，相比于幅度不一致性，相位不一致性對合成效率影響更大，應(yīng)盡量將8個(gè)放大單元模塊的相位差控制在10°以內(nèi)[8-9]，為便于相位一致性補(bǔ)償，每個(gè)放大單元都設(shè)置有相位控制模塊，實(shí)現(xiàn)相位一致性校正。

針對目前所使用的S頻段功率管的性能特點(diǎn)，在匹配電路、供電偏置等方面進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，提升功放的工作效率，以減小整機(jī)功耗和發(fā)熱量。主要技術(shù)途徑如下：

(1) 功率管大信號末端匹配技術(shù)

目前，S頻段功率管均為寬帶(300 MHz)放大器件，其匹配電路均是針對全頻段內(nèi)的綜合指標(biāo)設(shè)計(jì)。如在特定頻段內(nèi)有針對性地設(shè)計(jì)匹配電路，可在此頻段范圍內(nèi)提升芯片的輸出功率及效率等性能。

一般功率管供應(yīng)商提供不了準(zhǔn)確的大信號模型。但可以通過負(fù)載牽引系統(tǒng)獲得功放芯片在指定功率下的匹配負(fù)載阻抗和源端阻抗測試系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 負(fù)載牽引系統(tǒng)原理

根據(jù)負(fù)載牽引系統(tǒng)獲得負(fù)載阻抗和源端阻抗進(jìn)行匹配電路設(shè)計(jì)，得到合適的輸出功率，再通過仿真軟件建立完整的芯片有源模型，針對其特性，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)哪┒似ヅ潆娐?，在不惡化功率管輸出功率等主要指?biāo)條件下，改變其工作匹配點(diǎn)，在特定頻段內(nèi)提升輸出功率和工作效率[10]。

(2) 放大單元模塊的幅相一致性分析

影響放大單元模塊的相位、幅度一致性的因素較多，其與小信號微波放大器不同，作為功率放大器，要求其輸出功率較大、效率高和線性好，同時(shí)還有合適的帶寬、增益、線性度和穩(wěn)定性的要求。固態(tài)功放由多級放大器級聯(lián)組成，級間匹配、帶寬、增益、線性度和穩(wěn)定性等均需統(tǒng)籌考慮。由于固態(tài)功放工作時(shí)處在大信號狀態(tài)，信號放大過程中會產(chǎn)生非線性失真和調(diào)幅/調(diào)相變換效應(yīng)，進(jìn)而影響相位，在設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮影響非線性失真和相移的一些因素。每級放大器的幅度、相位特性將直接影響放大單元的幅相一致性。單級放大器由輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、功率管和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)組成，因此，合理選擇功率管及其工作狀態(tài)、精心設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)是保證放大單元幅相一致性的關(guān)鍵。

1.2 結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計(jì)

大功率固態(tài)功放的熱設(shè)計(jì)是功放能否穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注熱設(shè)計(jì)。熱設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是既能滿足熱性能指標(biāo)，又能達(dá)到電性能要求，所用冷卻代價(jià)最小，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠[11]。采用均熱板與強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)合的技術(shù)[7]，通過設(shè)計(jì)均熱板，配合風(fēng)扇，對8路放大單元模塊有效散熱。均熱板具有優(yōu)良的等溫性、高熱傳導(dǎo)能力、無失效部件、不需要復(fù)雜的維修及保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)。功率放大器實(shí)物盒體和均熱板分布如圖3所示。

圖3 箱體和均熱板分布

室外型S頻段800 W固態(tài)功率放大器的整機(jī)外形尺寸為：533 mm×710 mm×343 mm(各向最大尺寸)，目前為國內(nèi)公開的最小尺寸。電源在機(jī)箱的上側(cè)，電源出口位于整個(gè)機(jī)箱的中部，方便為各個(gè)模塊供電。8路放大單元模塊均勻分布在機(jī)箱的兩側(cè)，徑向合成器安裝在機(jī)箱上側(cè)，用硬連接的方式直接與機(jī)箱的面板大功率輸出插座連接，降低饋線損耗。

在環(huán)境溫度55 ℃條件下，對機(jī)箱進(jìn)行熱仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，安裝功率管的箱體均熱板最高溫度為85 ℃，由功率管手冊推算末級功率管的最小溫升為70 ℃，則末級功率管最高結(jié)溫為低于其長期穩(wěn)定工作的溫度170 ℃，且有一定余量，能夠長期穩(wěn)定工作。針對室外型結(jié)構(gòu)，除滿足熱設(shè)計(jì)外，箱體結(jié)構(gòu)以及插頭、插座應(yīng)該滿足防水、防鹽霧、防雪、防塵以及抗振動要求。

圖4 熱仿真結(jié)果

2 關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)

室外型S頻段800 W固態(tài)功率放大器采用徑向功率合成方式實(shí)現(xiàn)，8路放大單元的幅度和相位一致性將直接影響合成效率，如何保證8路放大單元的幅度和相位一致性是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)[12]。從以下幾方面來控制各放大單元之間的幅度和相位一致性：

① 利用ADS仿真軟件優(yōu)化放大單元的輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，盡量減少后期調(diào)試工作；

② 功率管柵極偏置電壓采取溫度補(bǔ)償措施，提高靜態(tài)工作點(diǎn)在高低溫條件下的穩(wěn)定性；

③ 盡量采用微帶開路短截線進(jìn)行輸入輸出電路匹配，可有效降低小電容值匹配時(shí)容值誤差對電路的不一致性影響；

④ 利用數(shù)控移相器修正各放大單元間相位誤差；

⑤ 功率管采用同批次產(chǎn)品，并且保證印制板加工和電路裝配的一致性。

通過以上措施，8路放大單元的相位一致性能夠控制在±5°以內(nèi)，幅度一致性控制在±0.5 dB以內(nèi)，最終的合成效率大于90%。

3 功率放大器仿真設(shè)計(jì)

3.1 靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇

靜態(tài)工作點(diǎn)的選取直接關(guān)系到功率管的工作方式，為保證功率管的線性度，要求功率管工作在AB類狀態(tài)。在漏極電壓確定為28 V的情況下，為了使功率管工作在需要的靜態(tài)電流IQ=1.5 A下，通過仿真確定柵極電壓VGS=2.75 V，在實(shí)際電路中再對柵極電壓進(jìn)行微調(diào)同時(shí)采取溫度補(bǔ)償措施，以保證高低溫環(huán)境下正確的靜態(tài)工作電流。

3.2 匹配電路設(shè)計(jì)

匹配電路設(shè)計(jì)的核心是將功率管在所需頻率范圍內(nèi)的最優(yōu)輸入輸出阻抗匹配到50 Ω阻抗附近，即將輸入輸出阻抗匹配到阻抗圓圖的中心附近[13-14]。 通過源牽引和負(fù)載牽引方法找到功率管的最優(yōu)輸入輸出阻抗值，如圖5所示，仿真得到末級功率管的最佳輸出和輸入阻抗分別為：5.9-j18.3和7.3-j11.3。依據(jù)這2個(gè)值，設(shè)計(jì)匹配電路，采用微帶開路短截線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

圖5 負(fù)載牽引和源牽引仿真結(jié)果

3.3 完整電路優(yōu)化仿真

將設(shè)計(jì)好的阻抗匹配電路和偏置電路整合起來，對整體電路進(jìn)行諧波平衡仿真。因?yàn)樵谥白杩範(fàn)恳O(shè)計(jì)中都是針對單頻點(diǎn)進(jìn)行的，通常此時(shí)得到的結(jié)果是帶寬較窄，為了增加帶寬，需要對某些元件的參數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化，通過犧牲某個(gè)點(diǎn)頻的性能實(shí)現(xiàn)寬帶設(shè)計(jì)。具體方法就是將匹配電路中或者偏置電路中的部分元件設(shè)為可以優(yōu)化的元件，然后對整個(gè)電路進(jìn)行優(yōu)化仿真[15-16]。待各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求后，再進(jìn)行板圖電路仿真，最終的仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖可知8路放大單元使用的末級功率管在2 020～2 125 MHz范圍內(nèi)，增益均大于17 dB，波動在1 dB范圍以內(nèi)。在整個(gè)頻帶內(nèi)輸出功率大于150 W，效率在45%以上。

圖6 增益仿真結(jié)果

圖7 輸出功率和效率仿真結(jié)果

3.4 同軸徑向功率合成器優(yōu)化仿真

同軸徑向功率合成器是一種類似Wilkinson N 路合成器的準(zhǔn)平面、低損耗和電氣性能對稱的8路合成器。設(shè)計(jì)原理由Wilkinson N路合成器理論發(fā)展而來，克服了Wilkinson合成器在N>2時(shí)無法實(shí)現(xiàn)平面結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)[17-18]。同軸徑向功率合成器具有功率容量大、平衡性好和損耗低等優(yōu)點(diǎn)，其基本結(jié)構(gòu)形式是由標(biāo)準(zhǔn)射頻接頭通過一段阻抗?jié)u變線過渡到一個(gè)任意尺寸和特性阻抗的過模同軸傳輸線。在HFSS中建立一個(gè)簡化的仿真模型，如圖8所示。

圖8 徑向波導(dǎo)功率合成器

利用HFSS對此徑向波導(dǎo)功率合成器的S參數(shù)進(jìn)行仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如圖9所示。從圖9可以看出，在2 000～2 200 MHz內(nèi)的傳輸系數(shù)大于9.07 dB(8路合成器理想傳輸系數(shù)為9.03 dB)，反射小于 -19.9 dB(VSWR≤1.25)。

圖9 同軸徑向功率合成器S參數(shù)仿真結(jié)果

4 性能測試結(jié)果及分析

對室外型S頻段800 W固態(tài)功率放大器的指標(biāo)進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。

表1 室外型800 W固態(tài)功率放大器指標(biāo)測試結(jié)果

技術(shù)指標(biāo)測試數(shù)據(jù)工作頻段/MHz2 020～2 125P-1 dB輸出功率/W>800帶內(nèi)增益平坦度/dB-0.5≤Δ≤+0.5(±10 MHz內(nèi))≤1(整個(gè)工作帶內(nèi));三階交調(diào):(回退7 dB)-35 dBcAM/PM轉(zhuǎn)換≤0.9°/dB (P-1 dB輸出功率)雜波抑制≤-65 dBc(P-1 dB輸出功率)輸出駐波比≤1.351.25群時(shí)延線性:≤0.05 ns/MHz拋物線:≤0.004 ns/MHz2峰-峰:≤0.9 ns800 W輸出時(shí)電源功率220 V/8.6 A

由功率放大器的測試結(jié)果可以看出，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，但最大功率輸出值比仿真設(shè)計(jì)值偏小。根據(jù)單級功率管仿真結(jié)果與合成效率分析功率合成后輸出功率應(yīng)該大于1 070 W，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果有一定差異。主要原因有2個(gè)方面：① 印制板加工過程中微帶線尺寸存在誤差，導(dǎo)致單級功率管輸出功率偏低；② 8路放大單元中一些不可預(yù)見性原因引起的幅度和相位不一致性造成的合成效率降低。

5 結(jié)束語

基于功率模塊和徑向功率合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了800 W以上功率輸出，整機(jī)效率高于40%，增益高于75 dB。同軸徑向功率合成器在多路功率合成中具有功率容量大、平衡性好和損耗低等優(yōu)點(diǎn)，利于實(shí)現(xiàn)高密度小體積的大功率合成。在功率模塊設(shè)計(jì)中的幾種關(guān)于幅度、相位一致性的控制方法對合成型功放設(shè)計(jì)有參考價(jià)值。此次室外型S頻段800 W固態(tài)功率放大器的設(shè)計(jì)成功以及工程上的應(yīng)用，為航天測控系統(tǒng)采用全數(shù)字化方案，簡化發(fā)射鏈路設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。