高線性度P波段功放組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧 暢，魏良桂

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

隨著固態(tài)有源相控陣技術(shù)的迅速發(fā)展和在雷達(dá)、對(duì)抗系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，T/R組件越來越成為整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師關(guān)注的焦點(diǎn)。固態(tài)有源相控陣陣面所需T/R組件的數(shù)量少則幾十，多則上萬，作為T/R組件的基礎(chǔ)與核心，功放組件的體積、重量、性能、質(zhì)量、研制成本、穩(wěn)定性和可靠性等指標(biāo)對(duì)T/R組件乃至整機(jī)系統(tǒng)的指標(biāo)有著直接影響[1]。

針對(duì)整機(jī)系統(tǒng)的不同干擾樣式需求，輸出功率高線性度可調(diào)節(jié)輸出、線性/飽和工作模式切換等功能尤為關(guān)鍵，因此，本文提出了一種線性可調(diào)的P波段功放組件的設(shè)計(jì)方法，采用大功率、高效率放大管芯和多級(jí)程控相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)功放組件的高效飽和放大和高線性度可調(diào)節(jié)輸出。

1 核心電路設(shè)計(jì)

1.1 功放組件工作原理

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的功放組件工作在P波段，工作帶寬為100 MHz，技術(shù)指標(biāo)要求當(dāng)輸入功率為-1～+1 dBm時(shí)，連續(xù)波輸出功率不小于354 W(55.5 dBm)，功率效率不低于50%，且在連續(xù)波的工作方式下，輸出功率以0.5 dB為步進(jìn)回退60 dB，當(dāng)輸出功率回退值為0～30 dB時(shí)，衰減精度不大于±1 dB；當(dāng)輸出功率回退值為30～60 dB時(shí)，衰減精度不大于±2 dB。故功放組件由幅度控制模塊、功放模塊和數(shù)字控制模塊組成，鑒于在高、低溫下輸出功率有所下降，留有0.2 dB功率增益余量，即功放組件(末級(jí)功放模塊)的輸出功率按照55.7 dBm(372 W)設(shè)計(jì)，總增益按照57 dB設(shè)計(jì)。功放組件工作原理框圖如圖1所示。

圖1 功放組件工作原理框圖

1.2 功放模塊設(shè)計(jì)

在功率放大器的設(shè)計(jì)中，合理選型功率管是首要環(huán)節(jié)。功率管的主要技術(shù)指標(biāo)要求為工作頻帶、1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率、功率增益、功率效率、交調(diào)失真、諧波失真、輸入/輸出駐波比、穩(wěn)定系數(shù)、寄生雜散等[2]。首先應(yīng)考慮功率管的工作頻帶、輸出功率和耐壓，功率管的工作頻帶應(yīng)在技術(shù)指標(biāo)要求的工作頻帶內(nèi)，功率管的最大額定輸出功率應(yīng)大于技術(shù)指標(biāo)要求的輸出功率，功率管的最大允許工作電流、最大耗散功率、最高允許結(jié)溫和耐壓均應(yīng)留有一定余量。同時(shí)也應(yīng)考慮功率管的可靠性、一致性以及抗疲勞、抗沖擊等特性[3]。

目前，功率放大器的種類多種多樣，包括BJT、GaAs、VDMOS、LDMOS等。相較于其它種類的晶體管，LDMOS具有輸出功率大、工作脈寬寬、占空比高、功率增益高、功率效率高、成本低和工藝技術(shù)成熟的特點(diǎn)[4]。功放模塊采用兩級(jí)放大的形式，由推動(dòng)級(jí)功放模塊和末級(jí)功放模塊組成，均選用LDMOS功率管電路形式。

1.2.1 末級(jí)功放模塊設(shè)計(jì)

末級(jí)功率管是功放模塊的核心，根據(jù)功放組件的技術(shù)指標(biāo)要求，經(jīng)多重比較，末級(jí)功放模塊最終選用的是基于推挽電路結(jié)構(gòu)的LDMOS功率管NC43313S-0304P190，該功率管工作在P波段，工作電壓為+28 V，輸出功率不小于230 W，功率增益不小于15 dB，漏極效率不小于55%。在連續(xù)波的測(cè)試條件下，相應(yīng)工作頻段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示，中心頻率為f0(MHz)。

表1 末級(jí)LDMOS功率管實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

因單只功率管的輸出功率有限，需選用2只功率管，輸出功率經(jīng)2只功率管進(jìn)行功率合成。3 dB電橋是一種四端口網(wǎng)絡(luò)，常用于信號(hào)的合路和分路、信號(hào)相位的改變以及功率的合成，通常由一耦合器來實(shí)現(xiàn)。微帶電路有其自身無法克服的缺點(diǎn)，即從封裝盒上表面到接地板的距離大于10倍介質(zhì)基片厚度[5]，故難以實(shí)現(xiàn)體積小且結(jié)構(gòu)緊湊的耦合器。帶狀線耦合器具有插入損耗低、方向性好、易于與其它電路級(jí)聯(lián)或集成等優(yōu)點(diǎn)，其中λ/4帶狀線耦合器在帶狀線耦合器的設(shè)計(jì)中已得到廣泛的采用，通過改變?chǔ)?4帶狀線重疊部分的大小來調(diào)節(jié)耦合度。當(dāng)單個(gè)λ/4帶狀線耦合器的2條微帶線完全重疊實(shí)現(xiàn)最大耦合度時(shí)，較難滿足3 dB的要求，故采用2個(gè)λ/4帶狀線耦合器級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)該3 dB電橋，如圖2所示。當(dāng)1為輸入端口時(shí)，2為隔離端口，3為耦合端口，4為直通端口。經(jīng)多重比較，3 dB電橋選用的是Yantel公司的3 dB 90°電橋HC0450L03，該電橋工作在P波段，插入損耗不大于0.3 dB，駐波比不大于1.2，隔離度不小于20 dB，承載功率為200 W，幅度不平衡不超過±0.3，相位不平衡為90°±3°。

圖2 λ/4帶狀線耦合器級(jí)聯(lián)

1.2.2 推動(dòng)級(jí)功放模塊設(shè)計(jì)

在末級(jí)功率管選定的前提下，為了滿足功放鏈路的技術(shù)指標(biāo)要求，推動(dòng)級(jí)功放模塊的輸出功率應(yīng)不小于41 dBm。經(jīng)多重比較，推動(dòng)級(jí)功放模塊最終選用的是NXP公司的LDMOS功率管BLF571，該功率管工作在P波段，工作電壓為+28 V，工作電流為960 mA，輸出功率不小于42 dBm，功率增益不小于17 dB，漏極效率不小于60%。功放模塊功率增益設(shè)計(jì)分配如圖3所示。

圖3 功放模塊功率增益設(shè)計(jì)分配

1.3 幅度控制模塊設(shè)計(jì)

通過數(shù)控衰減器調(diào)整功放模塊的輸入功率以達(dá)到調(diào)整輸出功率的目的。因功放鏈路具有非線性和帶內(nèi)不平坦的特點(diǎn)，數(shù)控衰減器的可調(diào)范圍應(yīng)大于60 dB。幅度控制模塊選用數(shù)控衰減器1(位數(shù)6 bit，可調(diào)范圍0～31.5 dB)和數(shù)控衰減器2(位數(shù)5 bit，可調(diào)范圍0～31 dB)進(jìn)行級(jí)聯(lián)。因輸入功率有所波動(dòng)，首先選用飽和放大器對(duì)其進(jìn)行限幅，然后進(jìn)入數(shù)控衰減器1，從而使得輸出功率不受輸入功率變化的影響。幅度控制模塊選用“放大-衰減-放大-衰減”的電路結(jié)構(gòu)，2級(jí)數(shù)控衰減器之間選用工作在線性狀態(tài)的放大器進(jìn)行隔離。當(dāng)回退值不大于30 dB時(shí)，數(shù)控衰減器1工作，數(shù)控衰減器2不工作；當(dāng)回退值大于30 dB時(shí)，數(shù)控衰減器1和2同時(shí)工作。

功放鏈路功率增益分配設(shè)計(jì)如圖4所示。當(dāng)射頻輸入為-1～+1 dBm時(shí)，射頻輸出功率為55.7 dBm(372 W)，滿足連續(xù)波輸出不小于354 W(55.5 dBm)的技術(shù)指標(biāo)要求。功放組件各模塊功耗設(shè)計(jì)值如表2所示。工作電壓+28 V對(duì)應(yīng)的工作電流為23.86 A，工作電壓+8 V對(duì)應(yīng)的工作電流為0.16 A，則功放組件的功耗為：28 V×23.86 A+8V×0.16 A=669.36 W，故功放組件的功率效率為：372 W÷669.36 W×100%=55.6%，滿足功率效率不低于50%的技術(shù)指標(biāo)要求。

圖4 功放鏈路功率增益分配設(shè)計(jì)

表2 功放組件各模塊功耗設(shè)計(jì)值

1.4 數(shù)字控制模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字控制模塊由單片機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)組成，單片機(jī)的功能為采集溫度傳感器的溫度，并向FPGA發(fā)送溫度碼；FPGA的功能為采集溫度碼以及外部輸入的衰減碼和頻率碼，調(diào)取內(nèi)置校正表，對(duì)衰減碼進(jìn)行校正，并將校正后的衰減碼輸出至幅度控制模塊，對(duì)數(shù)控衰減器進(jìn)行控制，以達(dá)到輸出功率線性可調(diào)的目的。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控衰減器的快速響應(yīng)，內(nèi)置校正表的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。在不同的工作溫度下，不同頻率點(diǎn)的放大曲線不同，需測(cè)量功放組件在不同的工作溫度下，不同頻率點(diǎn)的衰減量和輸出功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并將工作溫度、頻率點(diǎn)的衰減量和輸出功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系植入校正表，形成三維矩陣表。因校正表容量巨大，F(xiàn)PGA的內(nèi)部存儲(chǔ)空間并不能夠滿足要求，故選用512 Mbit的FLASH。在功放組件上電前，將校正表存儲(chǔ)在FLASH中，以便FPGA直接調(diào)取FLASH中的校正表。技術(shù)指標(biāo)要求線性可調(diào)范圍為60 dB，步進(jìn)為0.5 dB，故將校正表劃分為121塊，每塊以頻率碼和溫度碼為地址順序排列，以便快速查詢。單個(gè)衰減碼的校正表示意圖如圖5所示，n為溫度的數(shù)量，m為頻率的數(shù)量。

圖5 校正表示意圖(單個(gè)衰減碼)

2 研制結(jié)果與分析

功放模塊PCB電路版圖如圖6所示，功放組件研制樣件實(shí)物測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8和表3所示，連續(xù)波輸出功率不小于392 W，功率效率不低于58.6%，當(dāng)輸出功率回退值為0～30 dB時(shí)，衰減精度不大于±0.5 dB；當(dāng)輸出功率回退值為30～60 dB時(shí)，衰減精度不大于±0.5 dB，均滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種工作在P波段的功放組件，詳細(xì)介紹了其工作原理及功放模塊、幅度控制模塊和數(shù)字控制模塊的設(shè)計(jì)方法及實(shí)現(xiàn)形式，對(duì)功放模塊的LDMOS功率管和幅度控制模塊的數(shù)控衰減器等進(jìn)行了合理選型，并對(duì)研制樣件實(shí)物進(jìn)行了測(cè)試，其性能均滿足技術(shù)指標(biāo)要求。相較于傳統(tǒng)的P波段功放組件，其輸出功率不低于392 W，功率效率不低于58.6%，當(dāng)輸出功率回退值為0～60 dB時(shí)，衰減精度不大于±0.5 dB，可應(yīng)用于低頻固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)T/R組件，滿足了其高輻射功率、低功耗和線性可調(diào)的需求。

圖6 功放模塊PCB電路版圖

圖7 輸出功率測(cè)試結(jié)果

圖8 功率效率測(cè)試結(jié)果

表3 輸出功率線性可調(diào)范圍測(cè)試結(jié)果