基于ADS的L頻段160 W高效功放的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邵科峰，王文燦，李五星

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047；2.中國人民解放軍96901部隊(duì)，北京 100094)

0 引言

目前固態(tài)功放[1]在雷達(dá)、通信和干擾等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長，價(jià)格較低[2-3]。LDMOS[4]功率管大量用于L頻段連續(xù)波大功率固態(tài)功放[5-6]。固態(tài)功放功率合成已有微帶巴倫等分路合成技術(shù)[7-9]。對(duì)于此類功放的功率、增益和帶寬等研究已經(jīng)較為深入，取得了不少成果[10-12]，但是關(guān)于功放的效率論述相對(duì)較少。GaN功率管效率較高[13]，但是價(jià)格較高，線性度較差；在帶寬較窄時(shí)，硅功率管效率也比較高，特別在大規(guī)模使用大功率功放時(shí)，功放的效率和成本就顯得十分重要。

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功放在大功率輸出時(shí)效率很高，很好地兼顧了功率和效率。采用合成效率高、結(jié)構(gòu)簡潔的漸變微帶2路功率合成器[14]和一款高性能、高性價(jià)比的LDMOS硅功率管，基于ADS軟件對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真和調(diào)試。

1 功放設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

使用ADS軟件采用負(fù)載牽引、史密斯圓圖工具和諧波平衡等方法設(shè)計(jì)功放管的匹配電路，仿真功放的輸出功率、增益、效率、二次諧波和三階交調(diào)等指標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化[15]；按照仿真結(jié)果加工生產(chǎn)實(shí)際電路并進(jìn)行調(diào)試；記錄分析調(diào)試結(jié)果。

1.1 研究對(duì)象

功放使用2只LDMOS硅功率管，采用漸變微帶功率合成器，設(shè)計(jì)匹配電路、加工生產(chǎn)實(shí)際電路并進(jìn)行調(diào)試。

1.2 功率合成與匹配電路設(shè)計(jì)

1.2.1 漸變微帶功率合成器選擇

N路Wilkinson平面合成器較好地實(shí)現(xiàn)了平面功率合成，但由于平衡電阻的存在，電路稍顯復(fù)雜。在N路Wilkinson平面合成器的基礎(chǔ)上，電路結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，提出了許多新型N路平面合成器。

Abouzahra等提出了扇形合成器，因?yàn)檫@種電路結(jié)構(gòu)可以看作圓周功率合成器的一部分，所以可以沿用類似的分析方法，即阻抗矩陣法。

自阻抗和轉(zhuǎn)移阻抗為：

式中，Wi，Wj分別為第i和第j端口的有效寬度；dsi，dsj分別為沿端口寬度方向的距離增量；G(si/sj)為扇形的二維阻抗Green函數(shù)。

根據(jù)波的衍射特性，漸變微帶N路功率合成器進(jìn)一步演變簡化，最新分析模型如圖1所示。

第I段的輸入端和第IV段的輸出端是常規(guī)微帶，其特性阻抗為50 Ω。第Ⅱ段為過尺寸微帶，其特性阻抗為：

式中，N為合成路數(shù)；ZI為第I段微帶阻抗。第III段為阻抗?jié)u變微帶，可采用線性漸變、正弦漸變和Klopfenstein漸變等形式。為了易于仿真和加工，本文選擇線性漸變的形式。

圖1 漸變微帶N路功率合成器分析模型Fig.1 Analysis model of N-way gradient microstrip power synthesizer

1.2.2 匹配電路設(shè)計(jì)

使用ADS軟件，運(yùn)用負(fù)載牽引、共軛匹配和諧波平衡等方法逐步設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化，得到相對(duì)最終的匹配電路。

① 對(duì)功率管進(jìn)行輸出負(fù)載牽引，先建立負(fù)載牽引，原理如圖2所示。再進(jìn)行仿真計(jì)算，選取最佳輸出阻抗值，所謂最佳是指在功率和效率之間做平衡處理。

(a) 功率管輸出負(fù)載測試原理

(b) 功率管輸出阻抗取值范圍圖2 功率管輸出負(fù)載牽引原理Fig.2 Schematic diagram of power tube output load pull

② 使用輸出的阻抗值進(jìn)行共軛匹配，共軛匹配條件如下：

設(shè)信號(hào)源的內(nèi)阻抗為Zg=Rg+jXg，傳輸線的輸入阻抗為Zin=Rin+jXin，則有Zg=Zin*，即Rg=Rin;Xg=-Xin。

在滿足以上共軛匹配條件下，信號(hào)源給出的最大功率為:

用軟件的斯密斯圓圖工具，設(shè)計(jì)輸出匹配電路，再用輸出匹配電路對(duì)功率管進(jìn)行輸入負(fù)載牽引，先建立負(fù)載牽引，原理如圖3所示，再進(jìn)行仿真計(jì)算，選取最佳的輸入阻抗值，同樣是在功率和效率之間做平衡處理。

(a) 功率管輸入負(fù)載測試原理

(b) 功率管輸入阻抗取值范圍圖3 功率管輸入負(fù)載牽引原理Fig.3 Schematic diagram of power tube input load pull

③ 使用輸入的阻抗值進(jìn)行共軛匹配，用軟件的斯密斯圓圖工具，設(shè)計(jì)輸入匹配電路，再同時(shí)使用功率管的輸入輸出匹配電路，建立完整的匹配電路，原理如圖4所示，用來仿真功放在P-1功率輸出時(shí)的功率、增益和效率等指標(biāo)。通過諧波平衡仿真的方法對(duì)電路各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以最大程度地追求輸出功率和效率。

經(jīng)過大量細(xì)致地調(diào)諧和優(yōu)化，功率管輸出P-1功率、增益和效率，如圖5、圖6和圖7所示。f0，f1，f2分別是頻段的低端頻點(diǎn)、中間頻點(diǎn)、高端頻點(diǎn)。

圖5 功率管輸出P-1功率Fig.5 Power tube output power P-1

圖6 功率管增益Fig.6 Power tube gain

圖7 功率管效率Fig.7 Power tube efficiency

由圖5～圖7可以看出，功率管在f0～f2頻段輸出P-1功率≥52.12 dBmW(164 W)，增益≥18.16 dB，效率≥56.12%。

1.3 實(shí)際電路調(diào)試

實(shí)際電路加工、電裝和機(jī)裝完成后，加電測試，發(fā)現(xiàn)大功率輸出的頻率范圍比設(shè)計(jì)仿真結(jié)果向低端偏離10 MHz，采取更改電容的容值和位置、改變微帶線的尺寸等措施進(jìn)行調(diào)試和記錄。

1.4 測試結(jié)果與分析

調(diào)試完成后的測試值如表1所示，電路外形尺寸70 mm×60 mm,實(shí)物如圖8所示。

表1 功放指標(biāo)測試表

圖8 功放實(shí)際電路Fig.8 Photo of power amplifier actual circuit

可以看出，此功放的尺寸小，集成度高，電路簡潔、匹配器件少，在批量生產(chǎn)時(shí)電路一致性會(huì)很好，適合批量生產(chǎn)。在輸出160 W時(shí)效率最低為54.2%，最高可達(dá)61.4%，且諧波和交調(diào)指標(biāo)也很好。

2 結(jié)束語

使用本文方法設(shè)計(jì)LDMOS硅功率管匹配電路非常簡潔，整個(gè)電路尺寸很小，集成度高，特別適合密集陣列使用；設(shè)計(jì)工作量大幅減小，設(shè)計(jì)效率大幅提高；匹配元器件數(shù)量很少，調(diào)試量非常小；電路指標(biāo)參數(shù)仿真準(zhǔn)確度極高、實(shí)測指標(biāo)很接近仿真值，基本做到設(shè)計(jì)即真實(shí)。此款功放輸出功率160 W時(shí)，效率很高，大幅降低了對(duì)電源輸出能力和散熱器尺寸的要求，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的成本、功耗、質(zhì)量和體積，大規(guī)模使用時(shí)節(jié)能環(huán)保效果更加明顯。另外，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，該電路形式工作頻帶可調(diào)范圍較寬，可向更低端調(diào)節(jié)，也可向更高端調(diào)節(jié)，可適當(dāng)降低功率效率、擴(kuò)展帶寬，也可以收窄帶寬、達(dá)到更高的功率和效率，進(jìn)一步增加了其應(yīng)用范圍。