S波段固態功率放大器的仿真設計

2020-12-05 電子產品世界

　　1 引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/265789.htm

　　微波功率放大器作為發射機單元中至關重要的部件在許多微波電子設備和系統中廣泛應用，如現代無線通信、衛星收發設備、雷達、遙測遙控系統、電子對抗等。傳統的大功率放大器用真空管來實現，隨著半導體器件的不斷發展，固態器件的優勢不斷明顯，微波固態功率放大器具有體積小、工作電壓低、穩定性高、良好的可重複性等優點在許多領域倍受青睞。本文研究的是S波段的大功率固態放大器，輸出功率是180W的連續波，工作頻率為2.0GHz到2.3GHz，功率增益大於13dB，增益平坦度小於+/-1.0dB，1 dB增益壓縮點處的輸出功率為50dBm，飽和輸出功率大於53.4dBm，功率附加效率大於48%。

　　2 匹配電路的設計

　　由於功率放大器工作於非線性，小信號放大器的網路設計方法不再適用。本文要研究的是180W大功率放大器，放大器的輸入輸出阻抗隨著頻率和輸入功率的變化而變化，通常有三種分析方法來分析匹配電路：動態阻抗法、大信號S參數法和負載牽引法。

　　動態阻抗法它要求大信號工作狀態下的動態輸入、輸出阻抗(也稱最佳負載阻抗)。動態阻抗測試原理是，用調配器將功率管調配到最大功率輸出狀態，然後分別測出從信號源向功率管輸入端看去、從負載向輸出端看去的阻抗，其阻抗值即為動態輸入、動態輸出阻抗;大信號S參數可以進行功率放大器的功率增益、穩定性的分析和增益、平坦度的設計。同時，利用大信號S參數設計功率放大器時，除了應根據輸出功率的大小選擇負載阻抗外.還可以根據絕對穩定條件和潛在不穩定條件兩種情況分別進行考慮。大信號S參數的測量比較困難，通常採用雙信號法或大電流直流擬合法來測大信號S參數;負載牽引法它要求給出對應各種不同的輸出功率、功率增益和效率等參數的不同數據，由計算機進行綜合設計。其設計系統較為複雜。

　　通常對於大功率電晶體而言，廠家多給出功率電晶體道動態輸入、輸出阻抗，故匹配網絡設計也採用動態阻抗法來進行設計，實驗也採用動態阻抗法來設計匹配網絡。接下來就以此為依據來設計匹配電路，本設計中單片功率放大管給出的是動態輸入輸出阻抗，其值為複數。阻抗匹配網絡設計的核心思想是將頻率範圍內的輸入輸出阻抗匹配到50W阻抗附近，在阻抗園圖上，即將輸入輸出阻抗匹配到阻抗圓圖的中心附近。如果對於串聯功放管設計功率放大器的話，級間匹配也是很重要的，一般是實現共軛匹配，並且在實際情況可以採用多種方法比較，選擇比較合適的匹配電路來設計。

　　3 功率合成技術

　　微波射頻功率放大器由於工藝，設計線性度、工作狀態的限制，單管的輸出功率很難滿足設計要求，因此必須採用多管並聯的方式來合成功率滿足設計要求。功率合成器有兩路合成器、多路合成器、鏈式合成器之分。一般功率合成採用兩路合成器，常用於功率合成的兩路功分器有：WILKSON功分器、3dB正交功率合成器、反相推挽功率合成器。影響合路器合成效率的主要因素包括合路器輸入、輸出阻抗匹配狀況(輸入輸出電壓駐波係數)、幅度、相位不平衡度、插入損耗，以及各路之間的相互隔離度等。功率合成器將各模塊射頻輸出電壓相互疊加，並把所有模塊輸出功率的總和減去合成器的損失傳送到單個埠。可以用許多功率合成-分配結構，並且它們都顯示出某些不同的特性，通常，功率合成器的要求如下:

　　(1)合成器應具有低的插入損失，使得發射機的功率輸出和效率不受影響;

　　(2)合成器在埠間應具有射頻隔離，使得故障模塊不會影響剩餘工作模塊的負載阻抗或功率合成效率;

　　(3)合成器應能給放大器模塊提供一個可控的射頻阻抗，使得放大器的性能不致降低;

　　(4)合成器的可靠性應遠高於其他發射組件的可靠性;

　　(5)功率合成器終端負載承受功耗的能力應足以適應任一种放大器故障組合;

　　(6)合成器的機械封裝應便於模塊的維修。封裝也應給放大器模塊與合成器之間提供短、等相位和低插入損失的互連。

　　本設計採用的為3dB正交功率合成，平衡放大器由兩個相同的放大器A和B通過兩個3dB電橋並聯連接，其中輸入、輸出電橋分別用作功率分配器和功率合成器。3dB電橋的直通埠與耦合埠間的耦合度為3dB，相位差為90度。因此，在平衡放大器的輸入、輸出端放大器A和B的反射信號相位相差180度而相互抵消，所以理想平衡放大器的輸入、輸出駐波比(VSWR)等於1。由此可知，平衡放大器的駐波係數(VSWR)僅由3dB 90度電橋的性能決定，與分立放大器性能無關。放大器A和B的正向傳輸信號在平衡放大器的輸出埠相位相同，放大器A和B的輸出信號在輸出電橋的輸出埠同相相加。

　　4 散熱和屏蔽盒的考慮

　　一般微波功率放大器的功率附加效率較低(20%一40%)，未轉化成射頻功率的直流功率部分在功率管內部以熱的形式散放出來，功率放大器正常工作時，功率管的溫度會急劇升高。為了保證固態功率放大器穩定可靠的工作，應將功率管自身的熱量及時排散掉，使晶片的溫度保持在允許最高結溫以下，這就要求具有較強的散熱能力。本文通過對功率管的法蘭溫度進行理論分析和計算，分析並得出放大器穩定工作時能承受的最高管殼溫度和法蘭溫度，從而結合實際進行功率放大器的散熱設計。

　　功放屏蔽盒主要起電屏蔽的作用，應滿足一定的電磁兼容條件，儘量減小功放電路的微波輻射信號對整個電路的影響。通常把微帶電路(包括有源和無源器件)放入盒體中，工作在其截止頻率以下，將會減小微波元件由於輻射信號造成的影響(如減小反饋、增益波動以及改善隔離度等)。本文設計的S波段功率放大器，其工作頻率半波長約為5cm，為避免盒體內產生波導傳輸效應，盒體的橫向寬度設計為5cm左右，並且根據實際電路結構把電源部分和射頻部分用金屬隔板隔開，射頻部分腔體寬度約為2.5cm。根據實際器件尺寸在HFSS軟體中對腔體尺寸進行仿真優化，設計好的功放盒體的結構模型。

　　5 功率放大器的仿真

　　本文利用Agilent ADS軟體對180W功放進行仿真，仿真得到電路的大信號增益特性如圖1、圖2所示，輸入36dBm功率信號,在2.0～2.3GHz頻帶範圍內，輸出功率增益可達14.7dB。在2.05～2.25GHz頻帶範圍內,增益起伏小於0.2dB。輸入輸出的回波損耗小於-23dB。

　　電路的功率效率特性如圖3所示，P1dB的頻帶範圍為1.94～2.3GHz，輸出功率大於50dBm，效率大於45%;電路的功率頻率特性如圖4所示，在工作帶2.0～2.3GHz內，輸入為36dBm時輸出功率P1dB大於50.5dBm，功率頻率曲線很平坦，達到了設計要求;PA的Two-Tone交調特性如圖5所示，第一載波頻率為2.13808GHz，第二載波頻率為2.14192GHz,設計的PA Two-Tone在平均輸出功率45dBm，IM3小於-35dBc，可以滿足CDMA應用要求。PA的增益、效率與輸出功率的特性如圖6所示，所選的頻率為2.14GHz，由圖可知180W固態功率放大器的飽和輸出功率達53dBm,功率附加效率達60%。

　　

 

　　圖1 大信號條件下增益特性

　　

 

　　圖2 輸入輸出端的回波損耗

　　

 

　　圖3 輸入輸出功率及效率的特性

　　

 

　　圖4 輸入功率為36dBm時的功率頻率特性

　　

 

　　圖5 三階交調特性

　　

 

　　圖6 功率增益效率特性

　　6 結論

　　本文利用功率合成的技術設計出S波段輸出功率180W的大功率放大器，並充分的考慮了散熱和屏蔽盒的設計，結合軟體 Agilent ADS仿真設計出符合技術指標的功率放大器，論文採用的3dB正交功率合成來實現功率合成，有損耗小、一致性好等優點。並且用HFSS對屏蔽盒進行設計，使屏蔽盒的設計比較簡單。

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