L波段固態大功率放大器的設計分析

楊波 張駿

【摘 要】本文對L波段固態大功率放大器的設計的進行了具體分析，并以LDMOS高功率微波晶體管為對象，給出了設計方法。

【關鍵詞】L波段；放大器；LDMOS；ADS

一、引言

射頻功率放大器在雷達、無線通信、導航、衛星通訊、電子對抗設備等系統中有著廣泛的應用，是現代無線通信的關鍵設備。大功率放大器在微波功率放大器中扮演者重要的角色，直接影響整個系統鏈路的作用距離和覆蓋范圍。L波段大功率固態發射機可用于空軍、海軍的雷達、通信、導航，還可推廣應用于遠程、近程等各類航管雷達系統，以及電子戰設備、醫電、儀器儀表等。在軍事和個人通信系統中的地位非常重要，因而開展L波段大功率固態功放的研究具有十分重要的意義。

二、L波段大功率放大器的設計

設計指標如下：輸出功率：大于57dBm；輸入功率：0dBm；工作頻率：1.2GHz～1.4GHz；脈沖寬度：10μs；占空比：10%；雜散抑制：優于60dB；諧波抑制：優于60dB；增益平坦度：±0.5dB；脈沖頂部不平度：小于0.5dB；輸入輸出阻抗：50歐姆；輸出開路保護；工作溫度：-55℃～75℃。

（一）技術指標分析及方案設計

在設計功率放大器之前，必須對放大器的技術指標進行可行性分析，提出可行的設計方案，采用合適的微波技術，保證技術和經濟上均是可行的。根據以上指標分析，可采用如下圖1方案進行。

A：第一級放大，增益不小于13dB，輸出P1dB不大于14dBm；B：第二級放大，增益不小于14dB，輸出P1dB不小于27dBm，該級采用負反饋，控制輸出穩定在26dBm，保證第三級的輸入功率穩定、平坦；C：第三級放大，增益不小于18dB，輸出不小于44dBm，采用飽和放大，，輸出進行溫度補償和濾波，使輸出穩定在42dBm±0.25dB；D：D1與D2采用90°電橋，E1、E2采用平衡放大。電橋損耗不大于0.2dB，駐波不大于1.2；E：E1、E2采用相同的功率管，增益不小于18dB，輸出功率不小于55dBm。

（二）功率管的選擇

選擇功率管時，首先要考慮功率管的功率、耐壓和使用頻率，最大額定輸出功率應大于要求的輸出功率，對最大容許工作電流、最大耗散功率、最高允許結溫度，和各級耐壓等均應留有余量。根據以上方案，可選取滿足的設計的功率管：A（ERA-21SM，Mini），B（AH125，Triquint），C（BLL6H0514-25，NXP），E（MRF6V14300H，freescale）。第一級放大輸出13dBm，第二級放大輸出26dBm，第三級放大輸出不低于41dBm～42dBm，單路第四級放大輸出不低于55dBm。

（三）工作狀態確定

對功率管E采用AB類放大，可以保證較高的漏極效率。靜態工作點定為：VDD =50Vdc，ID=150mAdc，VGS（Q）=2.4V。同一型號不同的功率管，開啟電壓不相同，可根據實際開啟電壓調整靜態供電。對于無線性要求的脈沖功率放大，在開啟電壓相差不大的情況，設計時可以以開啟電壓的典型值確定。功率管C采用AB類放大，靜態工作點定為：VDD =50Vdc，ID=50mAdc，VGS（Q）=1.8V。

（四）匹配電路設計

一般L波段的大功率功率管都需要設計外部的匹配電路，實現最大的傳輸功率或者傳輸效率。功率管C和功率管E需要設計外部的匹配電路，保證在1.2GHz～1.4GHz的頻帶范圍內實現最大傳輸功率（因該方案為占空比不大的脈沖功放，所以可以偏重最大輸出功率）。通過ADS的負載牽引設計，功率管C、E的阻抗如下表1所示。

輸入匹配電路主要解決穩定性、增益、增益平坦度、輸入駐波等問題。輸出匹配電路用來完成放大器的輸出端口與負載之間的匹配，其主要作用是提高輸出功率、改善輸出駐波比和抑制諧波。

（五）供電電源、儲能電容需求設計

對于工作在脈沖狀態下的功率放大器，需要功率管的電源有足夠的響應速度，通常需要使用不用容值和類型的電容器來滿足脈沖狀態下的供電需求，保證脈沖頂部不平度。10μF以內可以使用瓷介質電容器，10μF以上應考慮鉭電解電容器。儲能電容的需求具體由保證功率管穩定輸出的前提下，允許電源下下降的最大電壓差計算確定。功率管C供電電壓為50V，輸出功率44dBm左右，在對50V進行穩壓設計的同時，儲能電容不低于100μF，類別電壓不低于68V。功率管E供電電壓為50V，輸出功率55dBm左右，單個儲能電容不低于300μF。平衡放大的E1、E2可以使用同一路電源供電，總電容量不低于600μF，類別電壓不低于68V。

（六）放大器級間溫度補償

前三級均采用飽和放大，能保證在-55℃～75℃的溫度范圍內輸出較為穩定的功率值，所以第四級放大是溫度補償的重點。在第三級輸出增加一個2dB的負溫的衰減器，對第四級進行補償，溫度系數：0.007dB/dB/℃。-55℃時衰減增大1.12dB，75℃時衰減減小0.7dB。功率管E在環境溫度內最大變化范圍為±1dB。補償后，放大器功率輸出在-55℃時減小0.12dB，在75℃時減小0.3dB，變化范圍減小至-0.3dB以內。該值為設計估計值，在調試時，應根據實際情況調整衰減器的值或溫度系數，以達到最佳的輸出效果。

（七）散熱設計

本方案采用自然散熱，功率管C、E為主要散熱器件。功率管C的結溫Tj=200℃，內阻RTj=0.86℃/W，熱耗散功率P=2.5W；功率管E的結溫Tj=200℃，內阻RTj=0.13℃/W，熱耗散功率P=33W。功率管螺裝，取接觸熱阻RTC=0.24℃∕W，最高工作溫度Ta=75℃。根據計算公式：S=1/α（（Tj-Ta）/P-RTj-RTC），α取7W∕﹙m2·℃），工程經驗值。可計算出散熱所需總面積為：2921+41797×2=86515mm2。

三、結論

通過對L波段大功率放大器的指標分析，從方案開始分步設計，給出了大功率放大器的設計步驟和設計方法。文中既有理論分析，也有工程經驗，兩者結合能有效的控制成本和減小技術風險。

【參考文獻】

[1]趙中義.L波段LDMOS微波寬帶功率放大器的研制.2009.

[2]翟博韜.射頻功率放大器的研究.2010.

[3]四機部.晶體管散熱器手冊.