L波段固态大功率放大器的设计分析

杨波 张骏

【摘 要】本文对L波段固态大功率放大器的设计的进行了具体分析，并以LDMOS高功率微波晶体管为对象，给出了设计方法。

【关键词】L波段；放大器；LDMOS；ADS

一、引言

射频功率放大器在雷达、无线通信、导航、卫星通讯、电子对抗设备等系统中有着广泛的应用，是现代无线通信的关键设备。大功率放大器在微波功率放大器中扮演者重要的角色，直接影响整个系统链路的作用距离和覆盖范围。L波段大功率固态发射机可用于空军、海军的雷达、通信、导航，还可推广应用于远程、近程等各类航管雷达系统，以及电子战设备、医电、仪器仪表等。在军事和个人通信系统中的地位非常重要，因而开展L波段大功率固态功放的研究具有十分重要的意义。

二、L波段大功率放大器的设计

设计指标如下：输出功率：大于57dBm；输入功率：0dBm；工作频率：1.2GHz～1.4GHz；脉冲宽度：10μs；占空比：10%；杂散抑制：优于60dB；谐波抑制：优于60dB；增益平坦度：±0.5dB；脉冲顶部不平度：小于0.5dB；输入输出阻抗：50欧姆；输出开路保护；工作温度：-55℃～75℃。

（一）技术指标分析及方案设计

在设计功率放大器之前，必须对放大器的技术指标进行可行性分析，提出可行的设计方案，采用合适的微波技术，保证技术和经济上均是可行的。根据以上指标分析，可采用如下图1方案进行。

A：第一级放大，增益不小于13dB，输出P1dB不大于14dBm；B：第二级放大，增益不小于14dB，输出P1dB不小于27dBm，该级采用负反馈，控制输出稳定在26dBm，保证第三级的输入功率稳定、平坦；C：第三级放大，增益不小于18dB，输出不小于44dBm，采用饱和放大，，输出进行温度补偿和滤波，使输出稳定在42dBm±0.25dB；D：D1与D2采用90°电桥，E1、E2采用平衡放大。电桥损耗不大于0.2dB，驻波不大于1.2；E：E1、E2采用相同的功率管，增益不小于18dB，输出功率不小于55dBm。

（二）功率管的选择

选择功率管时，首先要考虑功率管的功率、耐压和使用频率，最大额定输出功率应大于要求的输出功率，对最大容许工作电流、最大耗散功率、最高允许结温度，和各级耐压等均應留有余量。根据以上方案，可选取满足的设计的功率管：A（ERA-21SM，Mini），B（AH125，Triquint），C（BLL6H0514-25，NXP），E（MRF6V14300H，freescale）。第一级放大输出13dBm，第二级放大输出26dBm，第三级放大输出不低于41dBm～42dBm，单路第四级放大输出不低于55dBm。

（三）工作状态确定

对功率管E采用AB类放大，可以保证较高的漏极效率。静态工作点定为：VDD =50Vdc，ID=150mAdc，VGS（Q）=2.4V。同一型号不同的功率管，开启电压不相同，可根据实际开启电压调整静态供电。对于无线性要求的脉冲功率放大，在开启电压相差不大的情况，设计时可以以开启电压的典型值确定。功率管C采用AB类放大，静态工作点定为：VDD =50Vdc，ID=50mAdc，VGS（Q）=1.8V。

（四）匹配电路设计

一般L波段的大功率功率管都需要设计外部的匹配电路，实现最大的传输功率或者传输效率。功率管C和功率管E需要设计外部的匹配电路，保证在1.2GHz～1.4GHz的频带范围内实现最大传输功率（因该方案为占空比不大的脉冲功放，所以可以偏重最大输出功率）。通过ADS的负载牵引设计，功率管C、E的阻抗如下表1所示。

输入匹配电路主要解决稳定性、增益、增益平坦度、输入驻波等问题。输出匹配电路用来完成放大器的输出端口与负载之间的匹配，其主要作用是提高输出功率、改善输出驻波比和抑制谐波。

（五）供电电源、储能电容需求设计

对于工作在脉冲状态下的功率放大器，需要功率管的电源有足够的响应速度，通常需要使用不用容值和类型的电容器来满足脉冲状态下的供电需求，保证脉冲顶部不平度。10μF以内可以使用瓷介质电容器，10μF以上应考虑钽电解电容器。储能电容的需求具体由保证功率管稳定输出的前提下，允许电源下下降的最大电压差计算确定。功率管C供电电压为50V，输出功率44dBm左右，在对50V进行稳压设计的同时，储能电容不低于100μF，类别电压不低于68V。功率管E供电电压为50V，输出功率55dBm左右，单个储能电容不低于300μF。平衡放大的E1、E2可以使用同一路电源供电，总电容量不低于600μF，类别电压不低于68V。

（六）放大器级间温度补偿

前三级均采用饱和放大，能保证在-55℃～75℃的温度范围内输出较为稳定的功率值，所以第四级放大是温度补偿的重点。在第三级输出增加一个2dB的负温的衰减器，对第四级进行补偿，温度系数：0.007dB/dB/℃。-55℃时衰减增大1.12dB，75℃时衰减减小0.7dB。功率管E在环境温度内最大变化范围为±1dB。补偿后，放大器功率输出在-55℃时减小0.12dB，在75℃时减小0.3dB，变化范围减小至-0.3dB以内。该值为设计估计值，在调试时，应根据实际情况调整衰减器的值或温度系数，以达到最佳的输出效果。

（七）散热设计

本方案采用自然散热，功率管C、E为主要散热器件。功率管C的结温Tj=200℃，内阻RTj=0.86℃/W，热耗散功率P=2.5W；功率管E的结温Tj=200℃，内阻RTj=0.13℃/W，热耗散功率P=33W。功率管螺装，取接触热阻RTC=0.24℃∕W，最高工作温度Ta=75℃。根据计算公式：S=1/α（（Tj-Ta）/P-RTj-RTC），α取7W∕﹙m2·℃），工程经验值。可计算出散热所需总面积为：2921+41797×2=86515mm2。

三、结论

通过对L波段大功率放大器的指标分析，从方案开始分步设计，给出了大功率放大器的设计步骤和设计方法。文中既有理论分析，也有工程经验，两者结合能有效的控制成本和减小技术风险。

【参考文献】

[1]赵中义.L波段LDMOS微波宽带功率放大器的研制.2009.

[2]翟博韬.射频功率放大器的研究.2010.

[3]四机部.晶体管散热器手册.