一種小型高性能UHF頻段150 W放大器設計

魏利郝，盛榮志，甄建勇，陳小兵

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

微波功率放大器［1］在導航、雷達、衛星通訊、無線通信和電子對抗設備等系統中的應用越來越廣泛［2］，是現代無線通信的關鍵設備。隨著電子信息技術的發展，電子系統的高性能小型化已經成為了一個必然的發展趨勢［3］，而微波功率放大器的高性能小型化是實現整個電子系統高性能小型化的重要環節之一。為了實現功率放大器的高性能小型化，必須從設計方案到電路實現都應仔細考慮，以盡量減小體積、提高性能指標［4］。

選用中功率的LDMOS功率管、使用傳輸線變壓器實現寬帶匹配、通過帶狀線寬邊耦合3 dB電橋完成分/合路、采用全面的控制保護電路［2］，研制了一種寬帶、大功率、小型化及高效率的UHF頻段150 W放大器。

1 設計方案

放大器需要在UHF頻段150 W功率輸出、增益55 dB、諧波20 dBc及效率45%以上的指標要求，因此需要采用多級級聯的方式實現，經過設計放大器共采用4級放大器級聯，推動級由小功率和中功率功放管3級級聯而成，末級放大器由多只功率管并聯輸出，其中末級放大器的效率必須滿足50%以上的效率、25 dBc以上的諧波要求。為了提高諧波抑制指標要求，分合路器采用180°和90°同時使用，以提高放大器的偶次諧波和奇次諧波抑制。為了提高放大器的可靠性，設計了全面的控制保護電路，實現過溫、過駐波和過激勵等保護功能，電路原理如圖1所示。

圖1 放大器原理

2 設計難點

2.1 功率管的選擇

微波功率管是放大器的核心器件［5］，選擇得好壞直接影響到放大器指標的實現。在UHF頻段研制大功率LDOMS功率管［6］的廠家很多，功率管種類也很多，例 如:BLF546、BLF548、BLF369、BLF573s、MRF6V2150N、 MRF184、 MRF177、 MRF275、MRF6V2300N、D1009UK和UF28150等，效率都在50%～60%之間。每種管子都有自己的特點，輸出功率大的管子管芯功率密度大、體積小、可靠性高，但散熱密度也大;輸出功率小的管芯功率密度小、體積大、可靠性很高，但散熱密度小，如何選擇合適的功率管是一個關鍵問題。

小型化設計對散熱提出了更高的要求，為了提高功率放大器的高可靠性及適應性，需要采用散熱要求不苛刻、散熱密度小及可靠性高的功率管，結合輸出功率余量、體積和諧波指標的要求，根據調研及大量的測試實驗和仿真實驗，最終選用4只60 W的MRF184功率管，通過巴倫合路和3 dB電橋合路合成輸出150 W以上的功率指標。

2.2 匹配電路優化設計

匹配電路設計是放大器設計過程中最關鍵的一環，放大器的設計主要就是對匹配電路進行設計。放大器輸入匹配網絡的設計在于實現比較大的功率增益和工作帶寬;輸出匹配網絡的設計在于獲得最大的輸出功率和工作效率。

放大器的工作頻段為225～400 MHz，頻帶比較寬，使用集總參數較難實現寬帶，使用微帶線進行匹配體積太大，傳輸線變壓器具有體積小、頻帶寬和阻抗變換比設計方便等特點，被廣泛應用在平衡轉換及阻抗變換中［7］。

3 設計仿真

3.1 末級放大器匹配電路設計

末級放大器采用4只功率管MRF184進行功率管合成，MRF184阻抗在6 Ω左右，為了提高偶次諧波抑制，采用推挽式電路結構形式。需要將阻抗變換到50 Ω，阻抗變比為比較大，采用巴倫分路實現180°分合路，實現2只管子的推挽結構，同時實現1∶2的阻抗變比，再通過 1∶4的傳輸線變壓器［8，9］，實現1∶8的阻抗變換。電路如圖2所示。

圖2 末級放大器電路

輸入巴倫、輸出巴倫使用50 Ω射頻線SFX50－2半柔線，長度9 cm，完成180°分合路及1∶2的阻抗變換功能。輸入、輸出傳輸線變壓器使用FST-25-2半鋼線，長度8 cm，完成1∶4的阻抗變換，2只管子的根部安裝調節匹配電容，調節功率管的匹配。調試后放大器的增益大于15 dB，2只功率管輸出功率大于100 W，效率大于54%。

3.2 3 dB電橋設計

為了提高放大器的奇次諧波抑制，放大電路中采用了90°相位差的3 dB電橋進行分路、合路。寬邊耦合帶狀線電橋結構具有插入損耗小、兩端口相位和幅值均衡度好、功率容量大、體積小及便于裝配等特點，是一種很好的大功率合成方式［5］。寬邊耦合帶狀線的阻抗(偶模阻抗ZOo和奇模ZOe)近似公式如下［10］:

式中，W為帶線寬度;S為帶線間距;b為板間距;εr為介質基片的相對介電常數;ε為介質基片的介電常數;Cje、Cjo為平行耦合帶狀線的邊緣電容［11］。從式(1)和式(2)可得阻抗與帶線間的距離S、帶線寬度W及板間距b是直接相關的，計算比較繁瑣工程上常用相關軟件來設計，本文使用Ansoft軟件對其應用進行仿真和計算，使用Ansoft軟件進行電路和電磁場仿真，3 dB電橋電路和電磁場仿真結構如圖3所示。

通過仿真后印制板選用聚四氟乙烯板材，介電常數為2.2，帶狀線印制板厚度為3 mm，寬邊耦合印制板厚度為0.254 mm，通過電路仿真和電磁場仿真計算出最佳的印制板結構。

圖3 3 dB電橋仿真圖

3.3 小型化設計

現代電子設備對體積要求很嚴格，小型化設計尤為重要［12］，設計中采用何種功率器件作為末級放大最節省體積，并且易于實現是設計的最大難點。前級推動實現相對容易，但如何合理的分配各級增益，選擇何種器件來實現等問題直接關系整個功放的最終體積。

放大器采用整體設計方法，將放大器作為一個系統設計，綜合考慮各級功率器件、分配器、合成器以及外圍電路之間的參數匹配，采用系統部件之間的參數耦合彌補單部件性能的不足，獲得放大器系統較高的整體性能。

緊湊的匹配電路形式，UHF頻段的功放基本上是倍頻程工作，同時工作波長較長，采用1∶4傳輸線變壓器作為末級放大器的匹配方式，有效地縮減了匹配電路的體積。

為了減小體積、重量，放大器屏蔽盒作為一個整體進行加工，采用鋁板材，盒體內部進行分腔，減小放大電路級間影響，盒體內部對沒有散熱的部位進行掏空處理，減小重量。

4 加工及性能測試

放大器加工完成后進行了調試，放大器的增益、功率都滿足要求。常溫調試后進行高低溫試驗測試，所有溫度下滿足指標要求，最終的整機輸入駐波比小于1.2∶1、諧波抑制優于22 dBc、效率優于45.5%，屏蔽盒的體積為241 mm×106 mm×31 mm、重量小于1.52 kg、輸出功率和增益指標如表1所示。放大器的實物照片如圖4所示。

表1 放大器測試結果

圖4 150 W放大器實物

5 性能測試結果分析

由放大器的測試結果分析，小型高性能UHF頻段150 W放大器的各項指標均滿足系統要求，并通過了環境試驗測試，在－40°～+55°的高低溫環境下各項指標變化不大，均滿足要求。

為了提高功率放大器的高可靠性及適應性，不能使用輸出功率密度高、功耗密度大的功率管，只能采用高效率的小功率進行合成，由于有合路器的損耗，降低了模塊整體的效率，但提高了可靠性，

6 結束語

使用高可靠性、高效率功率管，采用傳輸線變壓器進行阻抗匹配，使用巴倫線和3 dB電橋進行分合路，通過小型化設計研制的UHF頻段150 W功率放大器，測試放大器各項指標均滿足要求，實際使用表明其工作穩定、可靠性高，具有很高的工程實用價值。為了提高可靠性，設計時采用了中功率的管子進行合成的方案，但體積不是最優，下一步可采用高壓的LDMOS功率管，可進一步提高效率、減小體積，但由于熱密度大，對散熱要求比較苛刻。

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