225MHz～512MHz 50W功率放大器研制

1 引言

自1948年發(fā)明固態(tài)電路以來(lái)，在短波和超短波通信領(lǐng)域，固態(tài)功放以其高可靠性、長(zhǎng)壽命、高用電效率和低供電電壓等優(yōu)勢(shì)已基本替代行波管，成為主要的功率放大應(yīng)用器件。以固態(tài)放大和寬帶功率合成為技術(shù)特點(diǎn)的寬帶線性放大器是通信對(duì)抗的關(guān)鍵技術(shù)。但是由于器件和技術(shù)的原因，大功率寬帶固態(tài)功放一直靠進(jìn)口。因此，為解決當(dāng)前的技術(shù)瓶頸，本文以寬帶大功率放大模塊為基礎(chǔ)，利用高效的散熱，我們自主設(shè)計(jì)了跨越VHF頻段和UHF頻段的225MHz～512MHz50W寬帶大功率射頻放大器。此放大器工作溫度范圍為－40℃～＋65℃，存儲(chǔ)范圍為－55℃～＋85℃，具有過(guò)壓、過(guò)流及駐波異常等保護(hù)措施。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 放大器組件主要技術(shù)指標(biāo)

工作頻率： 225 MHz～512 MHz；

輸出功率（P1dB）：　 ≥47 dBm；

增益： ≥45 dB；

平坦度： ≤±1.5 dB；

工作電流： ≤10 A ；

工作電壓： ＋24 V；

三階互調(diào)： ≤－27 dBc；2.1.8　二次、

三次諧波： ≤－50 dBc；

輸入輸出駐波： ≤1.5。

2.2 工作原理

整個(gè)放大器從功能上可以劃分為功率放大部分、收發(fā)開(kāi)關(guān)和監(jiān)控部分三部分。其中收發(fā)開(kāi)關(guān)部分的主要任務(wù)是完成收發(fā)通道的切換，監(jiān)控部分主要完成對(duì)功率放大部分的實(shí)時(shí)監(jiān)視以及實(shí)現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流及駐波異常等一些意外情況的保護(hù)，以最大限度地保護(hù)整機(jī)和方便地排除故障，這兩部分技術(shù)已經(jīng)比較成熟，本文不再進(jìn)行詳細(xì)討論。本文主要討論功率放大部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。功率放大部分主要進(jìn)行小信號(hào)的功率放大，它是功放的主體部分，通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)功放的電性能指標(biāo)，例如增益、輸出功率和功率平坦度等。功率放大器具體示意方框圖如圖1所示。由于工作頻段跨陪頻程，將近300 MHz帶寬，因此設(shè)計(jì)放大器的關(guān)鍵是如何獲得較好的增益平坦度q，克服功率器件增益在每倍頻程增益降低6 dB的特性，得到較好的輸出駐波。筆者運(yùn)用ADS軟件仿真，采用某公司ＬDMOS器件，選擇合適的輸入輸出匹配，兼顧平坦度及輸出功率，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖1 放大器的組成方框圖

2.3 電路設(shè)計(jì)

由于技術(shù)指標(biāo)中二次諧波要求較高，所以采取了分段濾波方式，以340 MHz為界，225 MHz～340 MHz為低波段，340 MHz～512 MHz為高波段，我們自行設(shè)計(jì)和研制了滿足要求的大功率開(kāi)關(guān)濾波器。為了檢測(cè)輸出駐波并實(shí)施過(guò)駐波保護(hù)，輸出端采用雙定向耦合器取樣。同時(shí)為了滿足客戶提出的提供接收通道的要求，增加了收發(fā)開(kāi)關(guān)。考慮放大器后接濾波器、定向耦合器和收發(fā)開(kāi)關(guān)的插損，為了保證最后輸出功率50W，放大器輸出功率達(dá)到80W。末級(jí)放大部分采用90°電橋功率合成方案。其偏置電路采用熱敏電阻補(bǔ)償電路，其電路圖如圖2所示，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)電流在－40℃～＋65℃范圍內(nèi)穩(wěn)定在±10％以內(nèi)，從而達(dá)到改善整個(gè)功放線性的目的。

目前射頻LDMOS的設(shè)計(jì)技術(shù)十分成熟，工作于幾百M(fèi)Hz左右的晶體管可以輸出幾百W的功率。然而隨著器件輸出能力的提高，器件的輸入／輸出阻抗就越來(lái)越小，并且隨頻率變化十分劇烈，匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)變得十分困難，尤其是跨倍頻程的大功率匹配網(wǎng)絡(luò)。采用多個(gè)小功率晶體管合路來(lái)實(shí)現(xiàn)大功率放大模塊的方式，可以方便地解決晶體管輸入／輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，并且可以將熱源有效地分隔開(kāi)，降低系統(tǒng)散熱的難度。同時(shí)采用這種設(shè)計(jì)方式，還可以降低由于個(gè)別器件失效而造成的影響，提高大功率模塊工作的可靠性。