S频段800 W室外型连续波固态功率放大器设计

李春辉，解冰一

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

随着射频数字化技术的发展，特别是模数/数模转换器(ADC/DAC)采样速率的迅速提高(目前射频输入带宽已达6 GHz)和工程应用，为航天测控系统采用全数字化方案提供了可能。采用全数字化技术，传统航天测控系统的信道变频设备会被大幅简化或消失，只剩下接收链路的低噪声放大器和发射链路的固态功率放大器等设备。固态功率放大器相比于传统的电真空功率放大器，具有体积小、可靠性高、工作电压低、寿命长和安装使用方便等优点，在kW级功放设计中已占据主导地位[1-2]。

室外型固态功率放大器直接安装在天线叉臂上，与室内型相比，简化了大功率馈线系统，即功放输出功率直连到馈源发射端口，馈线中不再串入方位轴和俯仰轴的旋转关节，馈线损耗低，驻波和可靠性得到改善。小体积室外型高效率固态功率放大器就成为发射链路的重要设备。能研制出满足指标要求和用户需求的大功率、高效率和高线性度的室外型固态功率放大器就尤为重要了。

1 总体设计

目前，S频段LDMOS型单管最大输出功率约350 W，考虑降额设计、热耗散等因素，要实现800 W以上的功率输出，功率合成是唯一的技术途径[3-4]。通过二进制树型结构功率合成网络、链式结构合成网络和多路功率进行一次性合成的径向功率合成网络的对比分析，采用8路径向功率合成方案，同时使用移相技术辅助，用LDMOS功率管设计了室外型S频段800 W固态功率放大器[5-6]。

1.1 高密度大功率合成设计

由前述可知，要实现S频段800 W以上的功率输出，功率合成是唯一的技术途径。功率合成就是利用由微带电路构成的功分/合成网络将输入信号等幅分为n路，并按照一定的相位关系分配至n个由单管级联组成的放大链路进行功率放大，再通过合成网络将各路放大链路的输出功率进行累加，总输出功率约为放大链路的末级单管额定输出功率的n倍，以突破单个功率器件输出功率不足的限制。

功率分配/合成网络的损耗决定了合成放大器的合成效率，基于微带电路的功率分配/合成网络，损耗会随着频率的升高而加大。特别是在多路合成网络中，损耗会随着合成路数的增加而成指数增长，这将会大幅降低整机合成效率，过大的损耗甚至会使合成型放大器失去应用的意义。目前，S频段功率合成的方式较多，大致可以分为4类：利用半导体芯片串联或并联的芯片级合成、利用二进制树型结构功率合成网络、链式结构合成网络和多路功率进行一次性合成的径向功率合成网络以及利用以上技术的混合合成技术等[7]。

综合考虑输出功率、合成效率、安装结构和工程实现性等因素，采用径向功率合成方式来实现室外型S频段800 W功放，原理如图1所示。主要有2个优点：路径损耗低、合成效率高；单路放大单元模块损坏只会造成输出功率下降，不会整机失效。高可靠性的径向功率合成技术，对减少电源消耗、降低设备散热要求、提高设备可靠性、降低使用和维护成本都有重要意义。

图1 8路径向功率合成原理

功率分配器将输入信号分成等幅、同相的8路信号后送8路放大单元进行功率放大，再将8路放大单元输出的150 W功率采用径向功率合成方式合成一路后输出，实现800 W额定功率输出。在放大单元设计中，相比于幅度不一致性，相位不一致性对合成效率影响更大，应尽量将8个放大单元模块的相位差控制在10°以内[8-9]，为便于相位一致性补偿，每个放大单元都设置有相位控制模块，实现相位一致性校正。

针对目前所使用的S频段功率管的性能特点，在匹配电路、供电偏置等方面进行改良设计，提升功放的工作效率，以减小整机功耗和发热量。主要技术途径如下：

(1) 功率管大信号末端匹配技术

目前，S频段功率管均为宽带(300 MHz)放大器件，其匹配电路均是针对全频段内的综合指标设计。如在特定频段内有针对性地设计匹配电路，可在此频段范围内提升芯片的输出功率及效率等性能。

一般功率管供应商提供不了准确的大信号模型。但可以通过负载牵引系统获得功放芯片在指定功率下的匹配负载阻抗和源端阻抗测试系统，如图2所示。

图2 负载牵引系统原理

根据负载牵引系统获得负载阻抗和源端阻抗进行匹配电路设计，得到合适的输出功率，再通过仿真软件建立完整的芯片有源模型，针对其特性，设计适当的末端匹配电路，在不恶化功率管输出功率等主要指标条件下，改变其工作匹配点，在特定频段内提升输出功率和工作效率[10]。

(2) 放大单元模块的幅相一致性分析

影响放大单元模块的相位、幅度一致性的因素较多，其与小信号微波放大器不同，作为功率放大器，要求其输出功率较大、效率高和线性好，同时还有合适的带宽、增益、线性度和稳定性的要求。固态功放由多级放大器级联组成，级间匹配、带宽、增益、线性度和稳定性等均需统筹考虑。由于固态功放工作时处在大信号状态，信号放大过程中会产生非线性失真和调幅/调相变换效应，进而影响相位，在设计时需要着重考虑影响非线性失真和相移的一些因素。每级放大器的幅度、相位特性将直接影响放大单元的幅相一致性。单级放大器由输入匹配网络、功率管和输出匹配网络组成，因此，合理选择功率管及其工作状态、精心设计匹配网络是保证放大单元幅相一致性的关键。

1.2 结构和热设计

大功率固态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[11]。采用均热板与强迫风冷结合的技术[7]，通过设计均热板，配合风扇，对8路放大单元模块有效散热。均热板具有优良的等温性、高热传导能力、无失效部件、不需要复杂的维修及保养等优点。功率放大器实物盒体和均热板分布如图3所示。

图3 箱体和均热板分布

室外型S频段800 W固态功率放大器的整机外形尺寸为：533 mm×710 mm×343 mm(各向最大尺寸)，目前为国内公开的最小尺寸。电源在机箱的上侧，电源出口位于整个机箱的中部，方便为各个模块供电。8路放大单元模块均匀分布在机箱的两侧，径向合成器安装在机箱上侧，用硬连接的方式直接与机箱的面板大功率输出插座连接，降低馈线损耗。

在环境温度55 ℃条件下，对机箱进行热仿真，仿真结果如图4所示。从图4中可以看出，安装功率管的箱体均热板最高温度为85 ℃，由功率管手册推算末级功率管的最小温升为70 ℃，则末级功率管最高结温为低于其长期稳定工作的温度170 ℃，且有一定余量，能够长期稳定工作。针对室外型结构，除满足热设计外，箱体结构以及插头、插座应该满足防水、防盐雾、防雪、防尘以及抗振动要求。

图4 热仿真结果

2 关键技术及难点

室外型S频段800 W固态功率放大器采用径向功率合成方式实现，8路放大单元的幅度和相位一致性将直接影响合成效率，如何保证8路放大单元的幅度和相位一致性是设计的关键和难点[12]。从以下几方面来控制各放大单元之间的幅度和相位一致性：

① 利用ADS仿真软件优化放大单元的输入、输出匹配网络，尽量减少后期调试工作；

② 功率管栅极偏置电压采取温度补偿措施，提高静态工作点在高低温条件下的稳定性；

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 利用数控移相器修正各放大单元间相位误差；

⑤ 功率管采用同批次产品，并且保证印制板加工和电路装配的一致性。

通过以上措施，8路放大单元的相位一致性能够控制在±5°以内，幅度一致性控制在±0.5 dB以内，最终的合成效率大于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，要求功率管工作在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VGS=2.75 V，在实际电路中再对栅极电压进行微调同时采取温度补偿措施，以保证高低温环境下正确的静态工作电流。

3.2 匹配电路设计

匹配电路设计的核心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，即将输入输出阻抗匹配到阻抗圆图的中心附近[13-14]。 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，如图5所示，仿真得到末级功率管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。

图5 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频点进行的，通常此时得到的结果是带宽较窄，为了增加带宽，需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[15-16]。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6和图7所示。由图可知8路放大单元使用的末级功率管在2 020～2 125 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150 W，效率在45%以上。

图6 增益仿真结果

图7 输出功率和效率仿真结果

3.4 同轴径向功率合成器优化仿真

同轴径向功率合成器是一种类似Wilkinson N 路合成器的准平面、低损耗和电气性能对称的8路合成器。设计原理由Wilkinson N路合成器理论发展而来，克服了Wilkinson合成器在N>2时无法实现平面结构的缺点[17-18]。同轴径向功率合成器具有功率容量大、平衡性好和损耗低等优点，其基本结构形式是由标准射频接头通过一段阻抗渐变线过渡到一个任意尺寸和特性阻抗的过模同轴传输线。在HFSS中建立一个简化的仿真模型，如图8所示。

图8 径向波导功率合成器

利用HFSS对此径向波导功率合成器的S参数进行仿真和结构优化，如图9所示。从图9可以看出，在2 000～2 200 MHz内的传输系数大于9.07 dB(8路合成器理想传输系数为9.03 dB)，反射小于 -19.9 dB(VSWR≤1.25)。

图9 同轴径向功率合成器S参数仿真结果

4 性能测试结果及分析

对室外型S频段800 W固态功率放大器的指标进行测试，结果如表1所示。

表1 室外型800 W固态功率放大器指标测试结果

技术指标测试数据工作频段/MHz2 020～2 125P-1 dB输出功率/W>800带内增益平坦度/dB-0.5≤Δ≤+0.5(±10 MHz内)≤1(整个工作带内);三阶交调:(回退7 dB)-35 dBcAM/PM转换≤0.9°/dB (P-1 dB输出功率)杂波抑制≤-65 dBc(P-1 dB输出功率)输出驻波比≤1.351.25群时延线性:≤0.05 ns/MHz抛物线:≤0.004 ns/MHz2峰-峰:≤0.9 ns800 W输出时电源功率220 V/8.6 A

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，但最大功率输出值比仿真设计值偏小。根据单级功率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1 070 W，实测结果与仿真结果有一定差异。主要原因有2个方面：① 印制板加工过程中微带线尺寸存在误差，导致单级功率管输出功率偏低；② 8路放大单元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

基于功率模块和径向功率合成网络实现了800 W以上功率输出，整机效率高于40%，增益高于75 dB。同轴径向功率合成器在多路功率合成中具有功率容量大、平衡性好和损耗低等优点，利于实现高密度小体积的大功率合成。在功率模块设计中的几种关于幅度、相位一致性的控制方法对合成型功放设计有参考价值。此次室外型S频段800 W固态功率放大器的设计成功以及工程上的应用，为航天测控系统采用全数字化方案，简化发射链路设计奠定了良好的基础。