如何設計和選擇合適的高功率寬帶放大器

　　高功率寬帶放大器的設計是一件非常有挑戰性的工作，工程師需要在多個相互對立的設計參數之間進行折中。對于一個放大器用戶來說，不論是初始投資還是以后的運行成本都是非常重要的考慮因素。本文將深入探討這些需求以及有哪些選擇，可以達到這些相互矛盾的設計目標。對于具體的應用，還會給出建議來選擇合適的放大器及最需要考量的關鍵設計參數。

　　寬帶放大器的設計者需要滿足多種設計需求，例如，對許多應用來說，寬帶放大器需要足夠的線性，且在諧波頻率處是全反射的。此外，對于雷達，軍用發射機等非廣播電視的應用來講，放大器還必須能夠承受輸出端巨大的失配，這些通常是連接天線的特性，終端負載，待測設備本身的反射等原因造成的。對于這些應用，放大器的強健性，也就是說不易損壞就變得異常重要了。由于放大器損壞導致的不可測量，就意味著工程會面臨嚴重且昂貴的延誤，甚至實驗室的收益也會受到損失等。從商業的角度來講，不論是初始投資還是以后的運行成本都是非常重要的。因此，高的可靠性以及易維護性就是達到這些目標的關鍵因素。此外，對于超大功率的寬帶放大器來說，為了降低運轉費用，還需要盡可能的提高功率效率。本文的第二部分將對此進行詳細討論。當為某一個特定應用尋找放大器的時候，最重要的是能都解釋清楚數據表中的各個參數，不同的功放制造商定義功放參數的方式是不一樣的。第三部分將建議如何讀懂這參數并如何對比。

　　高功率寬帶放大器設計的挑戰

　　設計高功率寬帶放大器時，工程師需要對帶寬 ，增益，輸出功率以及在各種幅度和相位條件下失配的行為特性，線性度，諧波特性，功率效率等進行綜合考慮，并從中找出最重要的優先考慮的指標。這些指標大多是相互影響的，對于給定的晶體管類型來說，設計的帶寬增加，能夠得到的輸出功率就會減小。更加具有挑戰性的是，為了達到更大的輸出功率，匹配網絡以及相應的功分電路，功率合成電路就會變得更加困難。同時，功放管的使用壽命非常依賴于放大器的散熱設計和功放管外圍的保護電路。對于A類 放大器，晶體管通常偏置在一個較大的靜態電流上，這樣可以得到一個非常線性的放大特性，但是卻要承受差的功率效率，并對晶體管帶來很大的散熱壓力。AB類放大器相比A類放大器具有低的靜態偏置電流，同樣可以得到很好的線性特性，以及好得多的功率效率，晶體管的散熱壓力得到減小。通常都采用推挽結構來進行電路設計。為了更好的理解熱應力對晶體管使用壽命的影響，我們可以以典型LDMOS晶體管的結溫行為特性來說明，如圖1所示。根據經驗所說，結溫降低10度，晶體管壽命可以增加一倍。如果使用GaN晶體管，結溫的降低對壽命有更大的好處?，F在的功放管可以提供更大的RF 功率密度，能夠實現更加緊湊尺寸更小的放大器，設計的關鍵就變成了如何設計更加高效的熱沉來處理功放管耗散出來的大量熱能。對于A類放大器來說，這通常是難以實現的，需要更多的晶體管，并降低每個晶體管的最大功率輸出，來處理散熱難題。即使這樣，A類放大器在沒有射頻輸入的情況下，仍然具有很高的結溫，原因在于它們具有很大的靜態偏置電流，當散熱設計處理不好時，使用壽命就會大大減少。

　　對于一些應用來說，并不是總是需要寬帶放大器提供最大的功率輸出，例如進行EMS測試。圖2 顯示的是在一個200伏/米的 EMS系統中，放大器加到EMS天線上的功率隨頻率變化的校準曲線?？梢钥闯?，需要不同的功率輸出來達到相應的場強。如圖2 中描述的，在100MHz處，需要的最大前向功率是1050瓦左右，而在200MHz及以上頻率處 ，所需的最大前向功率降到 600瓦左右，對于某些頻點 甚至可以降低到400瓦左右。因此，在這些EMS應用當中，AB類放大器相比A類放大器具有更好的效率，晶體管更低的結溫可以帶來更長的使用壽命。

　　在EMS 測試中，為達到200伏/米的場強，放大器輸出和天線輸入端在不同頻率處所需要達到的前向功率

? ? ? 不考慮高功率寬帶放大器的類型，高的駐波比也會對晶體管帶來額外的壓力。因為反射回來的射頻功率也會消散在放大器電路中，這又進一步增加了晶體管的結溫。為了避免高的駐波比損壞放大器，必須設計出高效的功率耗散電路，這可以通過散熱系統合理的布局來實現，包括在相關的熱點布置熱傳感器，也可以通過監控晶體管的相關電壓和電流實現。另外，功放設計師和產品設計人員還要決定是否增加足夠的半導體功率單元，以保證放大器能夠在很差的駐波比情況下仍可以提供足夠的前向功率，或者是允許放大器在一定駐波比下開始回退。更多的半導體功率單元就意味著成本更高的放大器，市場上就需要一個更高的價格。
?