800 MHz~1250 MHz 70 W高效功率放大模塊設(shè)計

　　劉傳洋，鄭?燾（中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江?嘉興?100048）

　　摘?要：主要介紹了一款頻段為800 MHz~1250 MHz，輸出功率大于70 W高效小型化模塊的設(shè)計，著重討論SiC單管電路的匹配電路的仿真與設(shè)計。根據(jù)仿真電路設(shè)計版圖，加工安裝模塊，實測在800 MHz~1250 MHz頻段上飽和功率輸出大于70 W，增益大于7.5 dB，效率大于40%。

　　關(guān)鍵詞：SiC功率管；阻抗匹配；ADS仿真

　　作者簡介劉傳洋（1977—），男，高級工程師，畢業(yè)于吉林大學(xué)通信工程專業(yè)，從事功率合成技術(shù)研究。

　　鄭 燾（1981—），男，高級工程師，畢業(yè)于成都電子科技大學(xué)電磁場與微波專業(yè)，從事功率合成技術(shù)研究。

　　在現(xiàn)代電子裝備系統(tǒng)中，對功率放大器提出了更高的要求，要求功率放大器提供更大的功率等級，更高的工作效率。作為系統(tǒng)中的單元功放，其效率的高低，體積的大小，對系統(tǒng)有著直接的影響。功放模塊作為功率放大器的基本單元，它的效率、體積決定了整機(jī)的效率和體積。

　　在L頻段，現(xiàn)在最常用的功率管主要有雙極性晶體管和場效應(yīng)管，雙極性晶體管的效率比較低，增益也不夠高。我們就選用了一種采用SiC材料的場效應(yīng)功率管。相對于硅和砷化鎵等材料，SiC具有更高的擊穿電壓，更加良好的導(dǎo)熱性，還有較高的電子遷移率。因此SiC場效應(yīng)管能提供較高的飽和功率和更寬的帶寬。

　　為解決小型化高效功率模塊設(shè)計的問題，本文提供了一種設(shè)計思路。以SiC材料的CRF-24060為例，設(shè)計了800 MHz~1 250 MHz，功率等級70瓦的功率放大器模塊，其工作效率可以達(dá)到40%以上 ^[1-3] 。

　　1 設(shè)計思路

　　隨著計算機(jī)輔助設(shè)計軟件的推廣應(yīng)用，在射頻微波電路設(shè)計領(lǐng)域，本文利用ADS軟件對CRF-24060的進(jìn)行設(shè)計。

　　用ADS設(shè)計功放電路，最理想的情況是器件生產(chǎn)商提供大信號情況下的器件模型。這樣不僅可以進(jìn)行匹配電路的優(yōu)化（如輸出功率和增益），還能用諧波平衡法進(jìn)行電路的非線性仿真，如N次諧波分量、三階互調(diào)等。本文中的CRF-24060值提供了功放管的小信號模型，設(shè)計思路就是根據(jù)功放管的小信號模型進(jìn)行輸入輸出匹配電路的設(shè)計，保證輸入輸出有良好的匹配。

　　下面，通過一個800 MHz~1 250 MHz 50 W功放模塊的設(shè)計全過程，講述如何用ADS軟件來進(jìn)行高效功放的設(shè)計。

　　2 功放模塊的設(shè)計

　　2.1 功放管的選型

　　作為一種新型的半導(dǎo)體材料，SiC以其優(yōu)良的物理化學(xué)特性和電特性成為制造短波長光電子器件、高溫器件、抗輻照器件和大功率／高額電子器件最重要的半導(dǎo)體材料。特別是在極端條件和惡劣條件下應(yīng)用時，SiC器件的特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了Si器件和GaAs器件。

　　本文選用了一款SiC MESFET功放器件CRF-24060作為設(shè)計對象，主要參數(shù)如圖1所示。此功率管推薦工作頻段在800 MHz~1 600 MHz，本文對此管子進(jìn)行擴(kuò)頻使用。通過產(chǎn)品資料可以看到在推薦頻段內(nèi)，增益大于10 dB，輸出功率大于48 dBm。

　　2.2 匹配電路仿真設(shè)計

　　圖3是對其建立了小信號電路仿真拓?fù)淠Ｐ?，利用CRF-24060的小信號模型，在ADS軟件中對其輸入輸出電路分別進(jìn)行匹配，設(shè)置優(yōu)化參數(shù)，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，保證其輸入輸出電路在800 MHz~1 250 MHz頻段內(nèi)有著最優(yōu)的匹配。

　　本文將仿真頻段往下拓展到700 MHz，保證其在低頻段也能滿足指標(biāo)要求。優(yōu)化后S21在10 dB以上，S22小于-11 dB，滿足本文功放模塊設(shè)計要求。仿真結(jié)果圖如圖3所示。

　　3 功放模塊的實測

　　如圖4所示，根據(jù)仿真結(jié)果，生成輸入輸出的印制板圖，在柵極以及漏極分別加上供電電路。

　　按照該匹配輸入輸出加工電路板，進(jìn)行安裝測試，功率放大模塊的實物圖如圖5所示。

　　圖6所示的是功放模塊的實測飽和功率、增益、效率實測圖。從圖上可以看到該模塊飽和功率輸出大于70W，增益大于7.5 dB，效率大于40%。

　　4 結(jié)論

　　功率模塊的小型、高效性對功放的小型化和高效起著決定性的因素。功率放大器的設(shè)計方法有很多，除了本文介紹的外，還有基于大信號模型的仿真設(shè)計。不同設(shè)計方法之間不存在絕對的優(yōu)與差，主要還是根據(jù)設(shè)計師的喜好，以及廠家提供的模型類型來決定設(shè)計方法。本文介紹了一種基于SiC材料的功率放大管的設(shè)計方法，對其輸入輸出電路分別進(jìn)行匹配，加工并裝配了功率放大模塊，實測結(jié)果表明該功率放大模塊在（800~1 250）MHz頻段內(nèi)輸出功率大于70 W，效率大于40%。此種功率放大模塊在有源相控陣系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 電子科技大學(xué) 微波集成電路設(shè)計

　　[2] 劉學(xué)觀,郭輝萍.微波技術(shù)與天線[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社.

　　[3] 王寶志.微波技術(shù)與工程天線[M].北京：人民郵電出版.

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第12期第44頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。