S波段固態(tài)功率放大器的仿真設計

1、引言

微波功率放大器作為發(fā)射機單元中至關(guān)重要的部件在許 多微波電子設備和系統中廣泛應用，如現代無(wú)線(xiàn)通信、衛星收發(fā)設備、雷達、遙測遙控系統、電子對抗等。傳統的大功率放大器用真空管來(lái)實(shí)現，隨著(zhù)半導體器件的 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、穩定性高、良好的可重復性等優(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、匹配電路的設計

由于功率放大器工作于非線(xiàn)性，小信號放大器的網(wǎng)路設計方法不再適用。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(zhù)頻率和輸入功率的變化而變化，通常有三種分析方法來(lái)分析匹配電路：動(dòng)態(tài)阻抗法、大信號S參數法和負載牽引法。

動(dòng) 態(tài)阻抗法它要求大信號工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)輸入、輸出阻抗(也稱(chēng)最佳負載阻抗)。動(dòng)態(tài)阻抗測試原理是，用調配器將功率管調配到最大功率輸出狀態(tài)，然后分別測出 從信號源向功率管輸入端看去、從負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S參數可以進(jìn)行功率放大器的功率增益、穩定性的分析 和增益、平坦度的設計。同時(shí)，利用大信號S參數設計功率放大器時(shí)，除了應根據輸出功率的大小選擇負載阻抗外.還可以根據絕對穩定條件和潛在不穩定條件兩種 情況分別進(jìn)行考慮。大信號S參數的測量比較困難，通常采用雙信號法或大電流直流擬合法來(lái)測大信號S參數；負載牽引法它要求給出對應各種不同的輸出功率、功 率增益和效率等參數的不同數據，由計算機進(jìn)行綜合設計。其設計系統較為復雜。

通常對于大功率晶體管而言，廠(chǎng)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 )設計也采用動(dòng)態(tài)阻抗法來(lái)進(jìn)行設計，實(shí)驗也采用動(dòng)態(tài)阻抗法來(lái)設計匹配網(wǎng)絡(luò )。接下來(lái)就以此為依據來(lái)設計匹配電路，本設計中單片功率放大管 給出的是動(dòng)態(tài)輸入輸出阻抗，其值為復數。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )設計的核心思想是將頻率范圍內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。如果對于串聯(lián)功放管設計功率放大器的話(huà)，級間匹配也是很重要的，一般是實(shí)現共軛匹配，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(lái)設計。

3、功率合成技術(shù)

微波 射頻功率放大器由于工藝，設計線(xiàn)性度、工作狀態(tài)的限制，單管的輸出功率很難滿(mǎn)足設計要求，因此必須采用多管并聯(lián)的方式來(lái)合成功率滿(mǎn)足設計要求。功率合成器 有兩路合成器、多路合成器、鏈式合成器之分。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)、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?？梢杂迷S多功率合成-分配結 構，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)合成器應具有低的插入損失，使得發(fā)射機的功率輸出和效率不受影響；
(2)合成器在端口間應具有射頻隔離，使得故障模塊不會(huì )影響剩余工作模塊的負載阻抗或功率合成效率；
(3)合成器應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)合成器的可靠性應遠高于其他發(fā)射組件的可靠性；
(5)功率合成器終端負載承受功耗的能力應足以適應任一種放大器故障組合；
(6)合成器的機械封裝應便于模塊的維修。封裝也應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 設計采用的為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(guò)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(VSWR)僅由3dB 90度電橋的性能決定，與分立放大器性能無(wú)關(guān)。放大器A和B的正向傳輸信號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%)，未轉化成射頻功率的直流功率部分在功率管內部以熱的形式散放出來(lái)，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)功率放大器穩定可靠的工作，應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溫以下，這就要求具有較強的散熱能力。本文通過(guò)對功 率管的法蘭溫度進(jìn)行理論分析和計算，分析并得出放大器穩定工作時(shí)能承受的最高管殼溫度和法蘭溫度，從而結合實(shí)際進(jìn)行功率放大器的散熱設計。

功放屏蔽 盒主要起電屏蔽的作用，應滿(mǎn)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對整個(gè)電路的影響。通常把微帶電路(包括有源和無(wú)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)。本文設計的S波段功率放大器，其工作頻率半波 長(cháng)約為5cm，為避免盒體內產(chǎn)生波導傳輸效應，盒體的橫向寬度設計為5cm左右，并且根據實(shí)際電路結構把電源部分和射頻部分用金屬隔板隔開(kāi)，射頻部分腔體 寬度約為2.5cm。根據實(shí)際器件尺寸在HFSS軟件中對腔體尺寸進(jìn)行仿真優(yōu)化，設計好的功放盒體的結構模型。

5、功率放大器的仿真

本 文利用Agilent ADS軟件對180W功放進(jìn)行仿真，仿真得到電路的大信號增益特性如圖1、圖2所示，輸入36dBm功率信號，在2.0～2.3GHz頻帶范圍內，輸出功 率增益可達14.7dB。在2.05～2.25GHz頻帶范圍內，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，輸入為36dBm時(shí)輸出功率P1dB大于50.5dBm，功率頻率曲線(xiàn)很平坦，達到了設計要求；PA的Two-Tone交調特性 如圖5所示，第一載波頻率為2.13808GHz，第二載波頻率為2.14192GHz，設計的PA Two-Tone在平均輸出功率45dBm，IM3小于-35dBc，可以滿(mǎn)足CDMA應用要求。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53dBm，功率附加效率達60%。

圖1、大信號條件下增益特性

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、三階交調特性

圖6、功率增益效率特性

6、結論

本 文利用功率合成的技術(shù)設計出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計，結合軟件Agilent ADS仿真設計出符合技術(shù)指標的功率放大器，論文采用的3dB正交功率合成來(lái)實(shí)現功率合成，有損耗小、一致性好等優(yōu)點(diǎn)。并且用HFSS對屏蔽盒進(jìn)行設計， 使屏蔽盒的設計比較簡(jiǎn)單。