225MHz～512MHz 50W功率放大器研制

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                1  引言

                        自1948年发明固态电路以来，在短波和超短波通信领域，固态功放以其高可靠性、长寿命、高用电效率和低供电电压等优势已基本替代行波管，成为主要的功率放大应用器件。以固态放大和宽带功率合成为技术特点的宽带线性放大器是通信对抗的关键技术。但是由于器件和技术的原因，大功率宽带固态功放一直靠进口。因此，为解决当前的技术瓶颈，本文以宽带大功率放大模块为基础，利用高效的散热，我们自主设计了跨越VHF频段和UHF频段的225MHz～512MHz50W宽带大功率射频放大器。此放大器工作温度范围为－40℃～＋65℃，存储范围为－55℃～＋85℃，具有过压、过流及驻波异常等保护措施。
                         
                        2  设计过程

                        2.1  放大器组件主要技术指标

                        工作频率：    225 MHz～512 MHz；
                        输出功率（P1dB）：　 ≥47 dBm；
                        增益：              ≥45 dB；
                        平坦度：            ≤±1.5 dB；
                        工作电流：        ≤10 A ；
                        工作电压：        ＋24 V；
                        三阶互调：        ≤－27 dBc；2.1.8　二次、
                        三次谐波：        ≤－50 dBc；
                        输入输出驻波：   ≤1.5。
                         
                        2.2  工作原理

                        整个放大器从功能上可以划分为功率放大部分、收发开关和监控部分三部分。其中收发开关部分的主要任务是完成收发通道的切换，监控部分主要完成对功率放大部分的实时监视以及实现过压、过流及驻波异常等一些意外情况的保护，以最大限度地保护整机和方便地排除故障，这两部分技术已经比较成熟，本文不再进行详细讨论。本文主要讨论功率放大部分的设计与实现。功率放大部分主要进行小信号的功率放大，它是功放的主体部分，通过它来实现功放的电性能指标，例如增益、输出功率和功率平坦度等。功率放大器具体示意方框图如图1所示。由于工作频段跨陪频程，将近300 MHz带宽，因此设计放大器的关键是如何获得较好的增益平坦度q，克服功率器件增益在每倍频程增益降低6 dB的特性，得到较好的输出驻波。笔者运用ADS软件仿真，采用某公司ＬDMOS器件，选择合适的输入输出匹配，兼顾平坦度及输出功率，最终达到设计要求。
                         
       

               

       

                图1  放大器的组成方框图

                         
                        2.3  电路设计

                        由于技术指标中二次谐波要求较高，所以采取了分段滤波方式，以340 MHz为界，225 MHz～340 MHz为低波段，340 MHz～512 MHz为高波段，我们自行设计和研制了满足要求的大功率开关滤波器。为了检测输出驻波并实施过驻波保护，输出端采用双定向耦合器取样。同时为了满足客户提出的提供接收通道的要求，增加了收发开关。考虑放大器后接滤波器、定向耦合器和收发开关的插损，为了保证最后输出功率50W，放大器输出功率达到80W。末级放大部分采用90°电桥功率合成方案。其偏置电路采用热敏电阻补偿电路，其电路图如图2所示，实现了静态电流在－40℃～＋65℃范围内稳定在±10％以内，从而达到改善整个功放线性的目的。
                         
                        目前射频LDMOS的设计技术十分成熟，工作于几百MHz左右的晶体管可以输出几百W的功率。然而随着器件输出能力的提高，器件的输入／输出阻抗就越来越小，并且随频率变化十分剧烈，匹配网络的设计变得十分困难，尤其是跨倍频程的大功率匹配网络。采用多个小功率晶体管合路来实现大功率放大模块的方式，可以方便地解决晶体管输入／输出匹配网络的设计问题，并且可以将热源有效地分隔开，降低系统散热的难度。同时采用这种设计方式，还可以降低由于个别器件失效而造成的影响，提高大功率模块工作的可靠性。
                 
                        本放大器模块的设计难点是带宽和高线性功率，因此宽带匹配技术是设计成功的关键。传输线变压器宽带性能的好坏与传输线变压器的设计有很大关系，进行晶体管宽带匹配之前，首先应当进行传输线变压器及晶体管匹配电路的设计。传输线变压器设计利用传输线阻抗变换器来完成高阻的信号源或负载与低阻的功率晶体管输入端或输出端之间的阻抗匹配，可以最大限度地利用晶体管本身的带宽潜能。传输线变压器在设计使用上有两点必须注意：一是源阻抗、负载阻抗、传输线阻抗的匹配关系；二是输入端、输出端必须在规定的连接及接地方式下应用。功放的宽频带一直是困扰设计者的难题，传统方法是用传输线变压器通过阻抗变换来匹配频带的低端，同时采用低通匹配部分使得频带高端的阻抗降低。本技术利用传输线变压器的等效电感，增加小电容形成一个π型匹配网络，兼顾整个频带，使得放大器在倍频程带宽内实现宽带、高效匹配。
                         
       

               

       

                图2  热敏电阻补偿电路

                         
                        2.4  仿真结果

                        通过仿真计算，采用2个60 W的LDMOS进行推挽工作可以比较容易地实现宽带工作。运用ADS软件对放大部分进行仿真，放大器增益和三阶互调仿真结果如图3和图4所示：   
                         
       

               

       

                图3  放大器增益仿真结果

                         
                        图4中，每音为43.2 dBm，是考虑放大器后接滤波器、定向耦合器、收发开关等插损为2 dB，同时留一些余量。
                         
       

               

       

                图4  放大器三阶互调仿真结果

                         
                        3  实验结果

                        为改善输入驻波比，放大器输入端加有3dB衰减器，则整个放大器的估算增益为50dB。放大器输出端由于采用了平衡结构，所以驻波比可得以保证。整个放大器的尺寸为：202 mm×148 mm×29 mm（加控制和定向耦合部分），经过调试得到了十分满意的结果，各项指标与仿真结果比较吻合，满足放大器组件的要求。目前该放大器已经小批量生产，性能稳定，一致性好。放大器组件三阶互调实测结果如图5所示，典型测试结果如表1所示。表中测试数据中输入电平和电流为整个放大器组件输出50 W（加后面的波段滤波和收发开关，放大器本身的实际输出功率为80 W）条件下测出的结果，互调是双音间隔0.1 MHz，每个音41dBm条件下测出的结果。结果表明，本文设计的功放在225 MHz～512 MHz宽频率范围内附加效率和线性达到了37％和-27 dBc。图6给出了放大器的外形结构。
                         
       

               

       

                图5  放大器三阶互调实测结果

       

                　

       

                图6  放大器的外形结构

                         
                        表1  UHF频段功放组件测试记录
       

频率                                                                                         （MHz）	输入                                                                                         (dBm)	电流                                                                                         (A)	互调                                                                                         （dBc）
225	－0.3	9.0	－30.0
265	0.5	8.5	－33.2
305	1.0	7.8	－38.3
340	1.8	8.2	－29.4
380	1.2	8.0	－29.5
420	1.5	8.1	－30.1
460	1.8	7.5	－28.2
500	1.5	7.3	－28.5
512	1.8	7.2	－27.8

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