S频段200 W功率合成放大器设计

解冰一，李春辉

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

S频段200 W功率合成放大器设计

解冰一，李春辉

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对功率放大器调试困难的问题，采用ADS软件设计功率放大器。利用负载牵引方式寻找功率管在工作频段内的最佳匹配点，进行电路匹配设计和优化，实现了功率放大器各项指标要求。最终的实物测试结果与仿真结果基本吻合，验证了仿真的真实性和有效性。采用热管散热技术，将功率管结温控制在155.2 ℃的安全工作温度。为实现大功率输出，采用3 dB电桥功率合成技术，并对2条合成链路进行幅度和相位一致性控制，在所需频段达到200 W以上的功率输出。

ADS仿真；功率合成；负载牵引；电路匹配

0 引言

功率放大器是发射机中的重要部件，在卫星通信、遥控遥测、雷达和电子对抗中应用广泛[1]。近些年，航天测控技术飞速发展，对功率放大器的功率需求越来越高[2]。大功率固态器件相比于传统的电真空器件，具有体积小、可靠性高、工作电压低和寿命长等优点，在百瓦级功放设计中已占据主导地位[3]。使用LDMOS功率管，采用3 dB电桥合成技术设计了一种S频段固态功率放大器，输出功率大于200 W，功率增益大于16.5 dB，效率高于40%。

1 总体设计

本文使用LDMOS功率管，采用3 dB电桥合成技术设计了一种S频段固态功率放大器。

1.1 器件选型设计

目前常用的微波功率半导体器件有GaAs、GaN和LDMOS三种[4]。GaAs功率管具有工作带宽宽、工作频率高和单管输出功率大等优点，但是其工作电压比较高，通常为48 V，对电源部分的设计要求比较高[5]。GaN功率管输出功率大，效率高，输入输出端易匹配，但是价格昂贵，线性相对较差。LDMOS功率管输出功率大，回退线性好，价格便宜。考虑到成本因素，在此选择LDMOS器件。

飞思卡尔公司和恩智浦公司是大功率LDMOS器件的全球领导者，在此选用飞思卡尔公司的功率管MRF7S21150HR3，其手册中最低只给出频率2 060 MHz的指标，需要通过仿真和后期调试跨频带实现所需频段的功率输出。

1.2 功率合成设计

由于单管输出功率不够，需要通过双管合成的方式实现200 W的功率输出，在此选用3 dB电桥合成方式实现的平衡合成放大器，实现原理如图1所示[6]。3 dB正交电桥合成方式主要有2个优点：① 可以改善放大器的驻波，提高放大器稳定性；② 二级放大器间隔离度好，单级放大器的损坏只会造成增益下降6 dB，不会使放大器整体失效[7]。

平衡合成放大器由2个大功率3 dB电桥和2个相同的放大器模块A和模块B组成。功率输入3 dB电桥的端口1，平均分配到直通端口2和耦合端口4，相位相差90°。2路信号分别馈入到放大器A和放大器B中，放大器输出后再分别进入3 dB电桥的端口4和端口2，合成后从端口1中输出合成功率。在放大器设计中，相比于幅度不一致性，相位不一致性对合成效率的影响更大，应尽量将2个模块的相位差控制在10°以内[8-9]。

图1 3 dB电桥合成原理

1.3 结构和热设计

功放的热设计是功放能否稳定工作的关键，在结构设计上应重点关注热设计。热设计的最终结果是：既能满足热性能指标，又能达到电性能要求，所用冷却代价最小，结构紧凑，工作可靠。采用热管与强迫风冷结合的技术，通过设计热管，配合大功率风扇，对功放模块有效散热，其散热功率可高达几百W。热管是依靠内部工质蒸发和冷凝的相变过程来实现散热的散热元件，具有优良的等温性、高热传导能力、无失效部件，热管的蒸汽与液体通道可以分离、无噪声、不需要复杂的维修及保养。功率放大器实物盒体底部热管分布图如图2所示。

从功率管MRF7S21150H的官方手册中可以查到管子结温正常工作的最高温度为225 ℃，但温度过高其可靠性指标将会下降，导致功放寿命降低。因此，功放管长期工作下结温要控制在170 ℃以内，其可靠性将提升一个数量级。

图2 热管分布

下面对功率管MRF7S21150H满功率工作状态下的结温温度进行分析[10]。单管满功率输出最大为150 W，效率为45%，此时需要的直流功率是333 W，功率增益为17 dB，输入功率为3 W，考虑到输入功率的迭加，功率管的热耗散为：

333-150+3=186 W。

MRF7S21150HR3的热阻RθJC=0.33 ℃/W ； 总热阻

RT=0.33+0.06+0.06=0.45 ℃/W,

则MRF7S21150HR3的最小温升为：

ΔT=155×0.45=83.7 ℃。

在55 ℃的环境温度下，对盒体进行热仿真，仿真结果如图3所示。

图3 热仿真结果

由图3中可知，安装功率管MRF7S21150HR3的盒体散热板最高温度为71.5 ℃；则功率管的结温可达到83.7 ℃+71.5 ℃=155.2 ℃，低于之前可长期稳定工作的170 ℃，并且有一定余量，在此条件下MRF7S21150HR3可以长期的稳定工作。

2 关键技术及难点

功率放大器是采用合成方式实现，2条合成链路的幅度和相位一致性将直接影响合成效率，如何保证2条放大链路的幅度和相位一致性是设计的关键和难点。从以下几个方面来控制2条链路的一致性：

① 利用ADS仿真软件优化输入、输出匹配网络，尽量减少后期调试工作；

② 输入输出隔直电容尽量采用较大值的电容，减小电容误差值带来的不一致性；

③ 尽量采用微带开路短截线进行输入输出电路匹配，可有效降低小电容值匹配时容值误差对电路的不一致性影响；

④ 功放管采用同批次产品，并且保证印制板加工和电路装配的一致性。

通过以上措施能够控制2条链路的相位一致性在±5°以内，幅度一致性在±0.5 dB以内，最终的合成效率将大于90%。

3 功率放大器仿真设计

3.1 静态工作点的选择

静态工作点的选取直接关系到功率管的工作方式，为保证功率管的线性度，使功率管工作在AB类状态。在漏极电压确定为28 V的情况下，为了使功率管工作在需要的静态电流IQ=1.5 A下，通过仿真确定栅极电压为VGS=2.75 V，在实际电路再对栅极电压进行微调，以保证正确的静态工作电流[11]。

3.2 匹配电路设计

匹配电路设计的核心思想是将功率管在所需频率范围内的最优输入输出阻抗匹配到50 Ω阻抗附近[12]，即将输入输出阻抗匹配到阻抗圆图的中心附近[13]。

通过源牵引和负载牵引方法找到功率管的最优输入输出阻抗值[14]，如图4所示，仿真得到功率管MRF7S21150HR3的最佳输出和输入阻抗分别为：5.9-j18.3和7.3-j11.3。依据这2个值，设计匹配电路，采用微带开路短截线的拓扑结构实现[15]。

图4 负载牵引和源牵引仿真结果

3.3 完整电路优化仿真

将设计好的阻抗匹配电路和偏置电路整合起来，对整体的电路进行谐波平衡仿真。因为在之前阻抗牵引设计中都是针对单点频进行的，通常此时得到的结果带宽很窄，为了增加带宽，就要对某些元件的参数值进行优化，通过牺牲某个点频的性能实现宽带设计。具体方法就是将匹配电路中或者偏置电路中的部分元件设为可以优化的元件，然后对整个电路进行优化仿真。待各项指标满足要求后，再进行板图电路仿真，最终的仿真结果如图5和图6所示。由图5和图6可知，在2 020～2 120 MHz范围内，增益均大于17 dB，波动在1 dB范围以内。在整个频带内输出功率大于140 W，效率在45%以上。

图5 增益仿真结果

图6 输出功率和效率仿真结果

4 性能测试结果及分析

上述仿真是针对单管进行的，在实际加工中需要通过合理布局在同一块电路板中实现2个完全相同功率放大器模块的合成，同时要充分考虑到供电和检波的方便。实际加工出的功率放大器内部布局如图7所示。对放大器的指标进行测试，结果如表1所示。

图7 200 W功率放大器实物

频率/MHzP-1dB漏极效率/%线性增益/dB202053．5dBm(224W)4216．8207553．7dBm(234W)4417．4212053．4dBm(219W)4217．0

由功率放大器的测试结果可以看出，各项指标均满足设计要求，但功率输出值比仿真设计值偏小。根据单管仿真结果与合成效率分析功率合成后，输出功率应该大于240 W，实测结果与仿真结果有一定差异。主要有两方面的原因：① 印制板加工过程中微带线尺寸存在误差，导致单管输出功率偏低；② 2条放大链路中一些不可预见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 结束语

基于ADS仿真，研制了一款S频段功率放大器，采用3 dB电桥合成的方式实现了200 W以上的功率输出，效率高于40%，增益高于16.5 dB。对于大功率的合成，对合成链路的幅度和相位一致性要求非常严格，文中的几种关于一致性的控制方法对合成型功放设计有很大的参考价值。此次功率放大器的成功设计，证实了ADS仿真作为功放研制的前期设计工具的有效性。通过ADS设计功放匹配电路可大大减少功放设计人员后期繁琐的匹配电路调试工作，提高工作效率。

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Design of S-band 200 W Power Amplifier

XIE Bing-yi,LI Chun-hui

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

To solve the problem of debugging difficulty of power amplifier,a power amplifier is realized by ADS simulation.The optimal match impedance of power transistor is found by load-pull,and the specification requirements of the power amplifier are satisfied by optimizing the matching circuit.The final experimental results are consistent with the simulation results,which proves the validity and effectiveness of the simulation.The junction temperature of power transistor is controlled below 155.2 ℃ by heat pipe technology.By 3 dB bridge power synthesis and consistency control of amplitude and phase,a power output up to 200 W in the desired frequency band is achieved.

ADS simulation;power synthesis;load-pull;matching circuit

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.09.13

解冰一,李春辉.S频段200 W功率合成放大器设计[J].无线电工程,2017,47(9):64-67.[XIE Bingyi,LI Chunhui.Design of S-band 200 W Power Amplifier[J].Radio Engineering,2017,47(9):64-67.]

TN722

A

1003-3106(2017)09-0064-04

2017-02-15

国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2013AA122105)。

解冰一 男，(1986—)，工程师。主要研究方向：微波功率放大器。

李春辉 男，(1973—)，高级工程师。主要研究方向：微波功率放大器。