VHF频段宽带大功率LDMOS功放电路的设计与实现

夏 达，孙卫忠

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

甚高频(Very High Frequency，VHF)频段雷达工作在30 MHz～300 MHz，因其作用距离远、反隐身性能好以及发现反辐射导弹(ARM)的能力强得到了广泛的应用。

横向扩散金属氧化物半导体(Lateral Diffusion Metal Oxide Semiconduction，LDMOS)场效应管作为一种性价比很高的器件，自20世纪80年代应用以来一直在通信系统的固态功放中起着主导作用。随着它向高频率、大功率和宽带的方向发展，凭借在线性、增益、成本、可靠性等方面的优良性能，其应用领域迅速推广，近年来开始广泛应用在微波雷达领域［1］。

随着LDMOS技术的不断发展，以国外NXP公司和FREESCALE公司为代表的生产厂家，已发展出第九代LDMOS功率管技术，在输出功率、防静电能力、抗驻波能力等方面都有明显的改进［2］。最新研发的LDMOS射频功率管工作频率为DC 600 MHz，典型输出功率达到1 200 W，抗驻波能力为65∶1不损坏。

本文运用同轴巴伦宽带匹配技术，采用同轴巴伦进行功率管的匹配，通过使用磁性材料扩展工作带宽，设计出使LDMOS功率管在VHF频段100%相对带宽内，输出功率大于1 000 W，效率大于70%，带内波动优于1 dB的功放电路。

1 电路设计

由于本文设计的VHF功放具有相对带宽宽、输出功率大等特点，在电路设计中重点关注了功率管大信号模型阻抗参数提取、宽带巴伦匹配技术实现和ADS软件仿真设计三个方面。

1.1 大信号模型阻抗参数

与小信号条件下实现最大传输增益的共轭匹配和实现最小噪声系数的最佳源反射系数匹配等设计原则不同，大功率放大电路设计通常以最佳负载阻抗匹配为目标。利用ADS软件对该功率管在中心频率f0做负载牵引仿真，使用谐波平衡法分析其功率及效率最佳匹配点。

具体过程是:功率管在给定的输入功率下，优化增益和效率指标，得到最佳条件下的负载阻抗ZL;保持最佳负载阻抗ZL不变，不断扫描源阻抗得到最佳源阻抗ZS;通过不断迭代仿真，最终得到功率管大信号模型下的源阻抗ZS和负载阻抗ZL。

图1是利用ADS软件仿真得出的该功率管在中心频率f0处的负载阻抗参数:

图1 中心频率f0的负载阻抗参数的提取

由于该功率管增益余量较高，故对源阻抗的匹配可以采用通用的阻抗变换形式(1∶4)去实现。

1.2 宽带巴伦设计

同轴电缆变换器(巴伦)为RF功率放大器的宽频带工作提供了可能性，它由套上铁氧体磁芯的一段同轴电缆或直接绕在铁氧体磁芯上的同轴电缆构成［3］。其实际结构处于集中参数与分布参数之间。在低频端，它的等效电路可用传统的低频变换器描述，其原理图如图2所示。

图2 低频变换器原理图

为了避免产生任何谐振现象，特别是引起复数负载实质上的幅度波动增加，传输线的长度应该根据以下条件选取［4］

本文采用的同轴巴伦结构如图3所示，同轴电缆T1和T2的特征阻抗为16 Ω，能实现源阻抗对负载阻抗为1∶9的阻抗变换。具体分析如下:T1或T2的内外导体可以等效为图4所示的传输线。

图3 1∶9同轴巴伦变换器

图4 同轴巴伦内外导体等效示意图

其中，电流大小相同，流向相反，电压幅度ΔV1=ΔV2。

根据上述等效示意图将1∶9同轴巴伦变换器等效，如图5所示。

图5 1∶9同轴巴伦变换器等效示意图

根据图5，得到如下计算结果

故使用图3所示宽带巴伦能实现源阻抗对负载阻抗1∶9的阻抗变换。在巴伦阻抗变换推导过程中，由于没有涉及工作频率，理论上该电路的带宽从最高截止频率往下都可以适用，因此该电路带宽非常宽，完全可以满足所需要的带宽。

1.3 ADS仿真分析

根据大信号模型，使用ADS软件进行负载牵引的仿真，得到其输出阻抗参数。然后选择同轴巴伦进行匹配，使用谐波平衡法仿真，得到其设计电路的增益、效率等相关指标参数［5］。

使用ADS软件建立的电路原理图，如图6所示。

图6 ADS软件谐波平衡法仿真原理图

由图6可以看出，栅极电压Vlow=3.05 V，漏极电压Vhigh=50 V，输入功率RFin=36 dBm。

仿真得到其增益和效率曲线，如图7所示。

图7 增益和效率仿真曲线

通过ADS软件进行仿真分析，我们得到该LDMOS功放的增益和效率仿真曲线。其增益大于24.4 dB，效率大于70%，与设计目标接近。

2 电路实现与测试结果

2.1 电路实现

针对以上仿真结果，我们设计了LDMOS功率模块。考虑到其输出功率较大，对热设计也相应提出更高的要求。同时考虑到工作频率较低，印制板介电常数对电路性能的影响较小，最后选取普通聚四氟乙烯印制板作为介质基板。这既节约了成本，同时对电路性能的影响也微乎其微。

在功率管散热问题的解决上，我们采取将功率管法兰盘通过大面积焊接工艺直接焊接至铜底板上的办法。由于铜底板热传导性能较好，能将LDMOS功率模块工作时产生的热量迅速传导出去，提高长期工作的可靠性［6］。

图8为实际研制完成的LDMOS功率模块，其外形尺寸为125 mm×75 mm。

图8 LDMOS功率模块实物

2.2 测试结果

测试结果如表1所示。

表1 LDMOS功率模块测试结果

与仿真结果对比，如图9所示。

图9 实测与仿真数据对比

由测试结果可知，实测数据与仿真数据结合较好，该功率模块在VHF频段100%相对带宽内，实现输出功率大于1 kW，效率大于70%的设计目标。

3 结束语

随着VHF频段雷达对发射机的带宽和功率要求越来越高，宽带大功率功放电路成为其组成的基本单元。本文采用最新研发的LDMOS功率管设计了一种VHF频段宽带大功率功放模块，通过对比ADS仿真结果与实物测试数据，验证了其设计方法的准确性。文中的宽带巴伦匹配技术为低频段大功率LDMOS功率管提供了一种可行的匹配方法，可应用于同类型功放电路的设计中，具有广阔的工程应用前景。

［1］ 黄 江，王卫华.新型的功率器件-射频LDMOS［J］.微波学报，2006，22(3):48-51.Huang Jiang，Wang Weihua.A new-type power device-RF LDMOS FET［J］.Journal of Microwaves，2006，22(3):48-51.

［2］ 郑 新.三代半导体功率器件的特点与应用分析［J］.现代雷达，2008，30(7):12-15.Zheng Xin.Characteristics and application analysis of semiconductor power devices for three generations［J］.Modern Radar，2008，30(7):12-15.

［3］ 张纪纲.射频铁氧体宽带器件［M］.北京:科学出版社，1986.Zhang Jigang.Video ferrite broadband device［M］.Beijing:Science Press，1986.

［4］ Andrei Grebennikov.射频与微波功率放大器设计［M］.张玉兴，赵宝飞，译.北京:电子工业出版社，2006.Andrei Grebennikov.Design of RF and microwave power amplifier［M］.Zhang Yuxing，Zhao Baofei，translate.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2006.

［5］ 杨贤松.用ADS进行宽带微波功放的仿真设计［J］.通信对抗，2006，2(1):55-57.Yang Xiansong.Simulation design of wideband microwave power amplifier with ADS［J］.Communication Countermeasures，2006，2(1):55-57.

［6］ Pietr Abrie.Design of RF and microwave amplifier oscillator［M］.［S.l.］:Artech House，2009.