S波段固態(tài)功率放大器的仿真設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　微波功率放大器作為發(fā)射機(jī)單元中至關(guān)重要的部件在許多微波電子設(shè)備和系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，如現(xiàn)代無線通信、衛(wèi)星收發(fā)設(shè)備、雷達(dá)、遙測遙控系統(tǒng)、電子對(duì)抗等。傳統(tǒng)的大功率放大器用真空管來實(shí)現(xiàn)，隨著半導(dǎo)體器件的不斷發(fā)展，固態(tài)器件的優(yōu)勢不斷明顯，微波固態(tài)功率放大器具有體積小、工作電壓低、穩(wěn)定性高、良好的可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)在許多領(lǐng)域倍受青睞。本文研究的是S波段的大功率固態(tài)放大器，輸出功率是180W的連續(xù)波，工作頻率為2.0GHz到2.3GHz，功率增益大于13dB，增益平坦度小于+/-1.0dB，1 dB增益壓縮點(diǎn)處的輸出功率為50dBm，飽和輸出功率大于53.4dBm，功率附加效率大于48%。

　　2 匹配電路的設(shè)計(jì)

　　由于功率放大器工作于非線性，小信號(hào)放大器的網(wǎng)路設(shè)計(jì)方法不再適用。本文要研究的是180W大功率放大器，放大器的輸入輸出阻抗隨著頻率和輸入功率的變化而變化，通常有三種分析方法來分析匹配電路：動(dòng)態(tài)阻抗法、大信號(hào)S參數(shù)法和負(fù)載牽引法。

　　動(dòng)態(tài)阻抗法它要求大信號(hào)工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)輸入、輸出阻抗(也稱最佳負(fù)載阻抗)。動(dòng)態(tài)阻抗測試原理是，用調(diào)配器將功率管調(diào)配到最大功率輸出狀態(tài)，然后分別測出從信號(hào)源向功率管輸入端看去、從負(fù)載向輸出端看去的阻抗，其阻抗值即為動(dòng)態(tài)輸入、動(dòng)態(tài)輸出阻抗;大信號(hào)S參數(shù)可以進(jìn)行功率放大器的功率增益、穩(wěn)定性的分析和增益、平坦度的設(shè)計(jì)。同時(shí)，利用大信號(hào)S參數(shù)設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)，除了應(yīng)根據(jù)輸出功率的大小選擇負(fù)載阻抗外.還可以根據(jù)絕對(duì)穩(wěn)定條件和潛在不穩(wěn)定條件兩種情況分別進(jìn)行考慮。大信號(hào)S參數(shù)的測量比較困難，通常采用雙信號(hào)法或大電流直流擬合法來測大信號(hào)S參數(shù);負(fù)載牽引法它要求給出對(duì)應(yīng)各種不同的輸出功率、功率增益和效率等參數(shù)的不同數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)系統(tǒng)較為復(fù)雜。

　　通常對(duì)于大功率晶體管而言，廠家多給出功率晶體管道動(dòng)態(tài)輸入、輸出阻抗，故匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)也采用動(dòng)態(tài)阻抗法來進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)也采用動(dòng)態(tài)阻抗法來設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)。接下來就以此為依據(jù)來設(shè)計(jì)匹配電路，本設(shè)計(jì)中單片功率放大管給出的是動(dòng)態(tài)輸入輸出阻抗，其值為復(fù)數(shù)。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的核心思想是將頻率范圍內(nèi)的輸入輸出阻抗匹配到50W阻抗附近，在阻抗園圖上，即將輸入輸出阻抗匹配到阻抗圓圖的中心附近。如果對(duì)于串聯(lián)功放管設(shè)計(jì)功率放大器的話，級(jí)間匹配也是很重要的，一般是實(shí)現(xiàn)共軛匹配，并且在實(shí)際情況可以采用多種方法比較，選擇比較合適的匹配電路來設(shè)計(jì)。

　　3 功率合成技術(shù)

　　微波射頻功率放大器由于工藝，設(shè)計(jì)線性度、工作狀態(tài)的限制，單管的輸出功率很難滿足設(shè)計(jì)要求，因此必須采用多管并聯(lián)的方式來合成功率滿足設(shè)計(jì)要求。功率合成器有兩路合成器、多路合成器、鏈?zhǔn)胶铣善髦?。一般功率合成采用兩路合成器，常用于功率合成的兩路功分器有：WILKSON功分器、3dB正交功率合成器、反相推挽功率合成器。影響合路器合成效率的主要因素包括合路器輸入、輸出阻抗匹配狀況(輸入輸出電壓駐波系數(shù))、幅度、相位不平衡度、插入損耗，以及各路之間的相互隔離度等。功率合成器將各模塊射頻輸出電壓相互疊加，并把所有模塊輸出功率的總和減去合成器的損失傳送到單個(gè)端口。可以用許多功率合成-分配結(jié)構(gòu)，并且它們都顯示出某些不同的特性，通常，功率合成器的要求如下:

　　(1)合成器應(yīng)具有低的插入損失，使得發(fā)射機(jī)的功率輸出和效率不受影響;

　　(2)合成器在端口間應(yīng)具有射頻隔離，使得故障模塊不會(huì)影響剩余工作模塊的負(fù)載阻抗或功率合成效率;

　　(3)合成器應(yīng)能給放大器模塊提供一個(gè)可控的射頻阻抗，使得放大器的性能不致降低;

　　(4)合成器的可靠性應(yīng)遠(yuǎn)高于其他發(fā)射組件的可靠性;

　　(5)功率合成器終端負(fù)載承受功耗的能力應(yīng)足以適應(yīng)任一種放大器故障組合;

　　(6)合成器的機(jī)械封裝應(yīng)便于模塊的維修。封裝也應(yīng)給放大器模塊與合成器之間提供短、等相位和低插入損失的互連。

　　本設(shè)計(jì)采用的為3dB正交功率合成，平衡放大器由兩個(gè)相同的放大器A和B通過兩個(gè)3dB電橋并聯(lián)連接，其中輸入、輸出電橋分別用作功率分配器和功率合成器。3dB電橋的直通端口與耦合端口間的耦合度為3dB，相位差為90度。因此，在平衡放大器的輸入、輸出端放大器A和B的反射信號(hào)相位相差180度而相互抵消，所以理想平衡放大器的輸入、輸出駐波比(VSWR)等于1。由此可知，平衡放大器的駐波系數(shù)(VSWR)僅由3dB 90度電橋的性能決定，與分立放大器性能無關(guān)。放大器A和B的正向傳輸信號(hào)在平衡放大器的輸出端口相位相同，放大器A和B的輸出信號(hào)在輸出電橋的輸出端口同相相加。

　　4 散熱和屏蔽盒的考慮

　　一般微波功率放大器的功率附加效率較低(20%一40%)，未轉(zhuǎn)化成射頻功率的直流功率部分在功率管內(nèi)部以熱的形式散放出來，功率放大器正常工作時(shí)，功率管的溫度會(huì)急劇升高。為了保證固態(tài)功率放大器穩(wěn)定可靠的工作，應(yīng)將功率管自身的熱量及時(shí)排散掉，使芯片的溫度保持在允許最高結(jié)溫以下，這就要求具有較強(qiáng)的散熱能力。本文通過對(duì)功率管的法蘭溫度進(jìn)行理論分析和計(jì)算，分析并得出放大器穩(wěn)定工作時(shí)能承受的最高管殼溫度和法蘭溫度，從而結(jié)合實(shí)際進(jìn)行功率放大器的散熱設(shè)計(jì)。

　　功放屏蔽盒主要起電屏蔽的作用，應(yīng)滿足一定的電磁兼容條件，盡量減小功放電路的微波輻射信號(hào)對(duì)整個(gè)電路的影響。通常把微帶電路(包括有源和無源器件)放入盒體中，工作在其截止頻率以下，將會(huì)減小微波元件由于輻射信號(hào)造成的影響(如減小反饋、增益波動(dòng)以及改善隔離度等)。本文設(shè)計(jì)的S波段功率放大器，其工作頻率半波長約為5cm，為避免盒體內(nèi)產(chǎn)生波導(dǎo)傳輸效應(yīng)，盒體的橫向?qū)挾仍O(shè)計(jì)為5cm左右，并且根據(jù)實(shí)際電路結(jié)構(gòu)把電源部分和射頻部分用金屬隔板隔開，射頻部分腔體寬度約為2.5cm。根據(jù)實(shí)際器件尺寸在HFSS軟件中對(duì)腔體尺寸進(jìn)行仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)好的功放盒體的結(jié)構(gòu)模型。

　　5 功率放大器的仿真

　　本文利用Agilent ADS軟件對(duì)180W功放進(jìn)行仿真，仿真得到電路的大信號(hào)增益特性如圖1、圖2所示，輸入36dBm功率信號(hào),在2.0～2.3GHz頻帶范圍內(nèi)，輸出功率增益可達(dá)14.7dB。在2.05～2.25GHz頻帶范圍內(nèi),增益起伏小于0.2dB。輸入輸出的回波損耗小于-23dB。

　　電路的功率效率特性如圖3所示，P1dB的頻帶范圍為1.94～2.3GHz，輸出功率大于50dBm，效率大于45%;電路的功率頻率特性如圖4所示，在工作帶2.0～2.3GHz內(nèi)，輸入為36dBm時(shí)輸出功率P1dB大于50.5dBm，功率頻率曲線很平坦，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求;PA的Two-Tone交調(diào)特性如圖5所示，第一載波頻率為2.13808GHz，第二載波頻率為2.14192GHz,設(shè)計(jì)的PA Two-Tone在平均輸出功率45dBm，IM3小于-35dBc，可以滿足CDMA應(yīng)用要求。PA的增益、效率與輸出功率的特性如圖6所示，所選的頻率為2.14GHz，由圖可知180W固態(tài)功率放大器的飽和輸出功率達(dá)53dBm,功率附加效率達(dá)60%。

　　圖1 大信號(hào)條件下增益特性

　　圖2 輸入輸出端的回波損耗

　　圖3 輸入輸出功率及效率的特性

　　圖4 輸入功率為36dBm時(shí)的功率頻率特性

　　圖5 三階交調(diào)特性

　　圖6 功率增益效率特性

　　6 結(jié)論

　　本文利用功率合成的技術(shù)設(shè)計(jì)出S波段輸出功率180W的大功率放大器，并充分的考慮了散熱和屏蔽盒的設(shè)計(jì)，結(jié)合軟件 Agilent ADS仿真設(shè)計(jì)出符合技術(shù)指標(biāo)的功率放大器，論文采用的3dB正交功率合成來實(shí)現(xiàn)功率合成，有損耗小、一致性好等優(yōu)點(diǎn)。并且用HFSS對(duì)屏蔽盒進(jìn)行設(shè)計(jì)，使屏蔽盒的設(shè)計(jì)比較簡單。