S波段固态功率放大器的仿真设计

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1、引言

微波功率放大器作为发射机单元中至关重要的部件在许 多微波电子设备和系统中广泛应用,如现代无线通信、卫星收发设备、雷达、遥测遥控系统、电子对抗等。传统的大功率放大器用真空管来实现,随着半导体器件的 不断发展,固态器件的优势不断明显,微波固态功率放大器具有体积小、工作电压低、稳定性高、良好的可重复性等优点在许多领域倍受青睐。本文研究的是S波段 的大功率固态放大器,输出功率是180W的连续波,工作频率为2.0GHz到2.3GHz,功率增益大于13dB,增益平坦度小于+/-1.0dB,1 dB增益压缩点处的输出功率为50dBm,饱和输出功率大于53.4dBm,功率附加效率大于48%。

2、匹配电路的设计

由于功率放大器工作于非线性,小信号放大器的网路设计方法不再适用。本文要研究的是180W大功率放大器,放大器的输入输出阻抗随着频率和输入功率的变化而变化,通常有三种分析方法来分析匹配电路:动态阻抗法、大信号S参数法和负载牵引法。

动 态阻抗法它要求大信号工作状态下的动态输入、输出阻抗(也称最佳负载阻抗)。动态阻抗测试原理是,用调配器将功率管调配到最大功率输出状态,然后分别测出 从信号源向功率管输入端看去、从负载向输出端看去的阻抗,其阻抗值即为动态输入、动态输出阻抗;大信号S参数可以进行功率放大器的功率增益、稳定性的分析 和增益、平坦度的设计。同时,利用大信号S参数设计功率放大器时,除了应根据输出功率的大小选择负载阻抗外.还可以根据绝对稳定条件和潜在不稳定条件两种 情况分别进行考虑。大信号S参数的测量比较困难,通常采用双信号法或大电流直流拟合法来测大信号S参数;负载牵引法它要求给出对应各种不同的输出功率、功 率增益和效率等参数的不同数据,由计算机进行综合设计。其设计系统较为复杂。

通常对于大功率晶体管而言,厂家多给出功率晶体管道动态输入、 输出阻抗,故匹配网络设计也采用动态阻抗法来进行设计,实验也采用动态阻抗法来设计匹配网络。接下来就以此为依据来设计匹配电路,本设计中单片功率放大管 给出的是动态输入输出阻抗,其值为复数。阻抗匹配网络设计的核心思想是将频率范围内的输入输出阻抗匹配到50W阻抗附近,在阻抗园图上,即将输入输出阻抗 匹配到阻抗圆图的中心附近。如果对于串联功放管设计功率放大器的话,级间匹配也是很重要的,一般是实现共轭匹配,并且在实际情况可以采用多种方法比较,选 择比较合适的匹配电路来设计。

3、功率合成技术

微波 射频功率放大器由于工艺,设计线性度、工作状态的限制,单管的输出功率很难满足设计要求,因此必须采用多管并联的方式来合成功率满足设计要求。功率合成器 有两路合成器、多路合成器、链式合成器之分。一般功率合成采用两路合成器,常用于功率合成的两路功分器有:WILKSON功分器、3dB正交功率合成器、 反相推挽功率合成器。影响合路器合成效率的主要因素包括合路器输入、输出阻抗匹配状况(输入输出电压驻波系数)、幅度、相位不平衡度、插入损耗,以及各路 之间的相互隔离度等。功率合成器将各模块射频输出电压相互叠加,并把所有模块输出功率的总和减去合成器的损失传送到单个端口。可以用许多功率合成-分配结 构,并且它们都显示出某些不同的特性,通常,功率合成器的要求如下:

(1)合成器应具有低的插入损失,使得发射机的功率输出和效率不受影响;
(2)合成器在端口间应具有射频隔离,使得故障模块不会影响剩余工作模块的负载阻抗或功率合成效率;
(3)合成器应能给放大器模块提供一个可控的射频阻抗,使得放大器的性能不致降低;
(4)合成器的可靠性应远高于其他发射组件的可靠性;
(5)功率合成器终端负载承受功耗的能力应足以适应任一种放大器故障组合;
(6)合成器的机械封装应便于模块的维修。封装也应给放大器模块与合成器之间提供短、等相位和低插入损失的互连。

本 设计采用的为3dB正交功率合成,平衡放大器由两个相同的放大器A和B通过两个3dB电桥并联连接,其中输入、输出电桥分别用作功率分配器和功率合成器。 3dB电桥的直通端口与耦合端口间的耦合度为3dB,相位差为90度。因此,在平衡放大器的输入、输出端放大器A和B的反射信号相位相差180度而相互抵 消,所以理想平衡放大器的输入、输出驻波比(VSWR)等于1。由此可知,平衡放大器的驻波系数(VSWR)仅由3dB 90度电桥的性能决定,与分立放大器性能无关。放大器A和B的正向传输信号在平衡放大器的输出端口相位相同,放大器A和B的输出信号在输出电桥的输出端口 同相相加。

4、散热和屏蔽盒的考虑

一般微波功率放大器的功 率附加效率较低(20%一40%),未转化成射频功率的直流功率部分在功率管内部以热的形式散放出来,功率放大器正常工作时,功率管的温度会急剧升高。为 了保证固态功率放大器稳定可靠的工作,应将功率管自身的热量及时排散掉,使芯片的温度保持在允许最高结温以下,这就要求具有较强的散热能力。本文通过对功 率管的法兰温度进行理论分析和计算,分析并得出放大器稳定工作时能承受的最高管壳温度和法兰温度,从而结合实际进行功率放大器的散热设计。

功放屏蔽 盒主要起电屏蔽的作用,应满足一定的电磁兼容条件,尽量减小功放电路的微波辐射信号对整个电路的影响。通常把微带电路(包括有源和无源器件)放入盒体中, 工作在其截止频率以下,将会减小微波元件由于辐射信号造成的影响(如减小反馈、增益波动以及改善隔离度等)。本文设计的S波段功率放大器,其工作频率半波 长约为5cm,为避免盒体内产生波导传输效应,盒体的横向宽度设计为5cm左右,并且根据实际电路结构把电源部分和射频部分用金属隔板隔开,射频部分腔体 宽度约为2.5cm。根据实际器件尺寸在HFSS软件中对腔体尺寸进行仿真优化,设计好的功放盒体的结构模型。

5、功率放大器的仿真

本 文利用Agilent ADS软件对180W功放进行仿真,仿真得到电路的大信号增益特性如图1、图2所示,输入36dBm功率信号,在2.0~2.3GHz频带范围内,输出功 率增益可达14.7dB。在2.05~2.25GHz频带范围内,增益起伏小于0.2dB。输入输出的回波损耗小于-23dB。

电路的功率 效率特性如图3所示,P1dB的频带范围为1.94~2.3GHz,输出功率大于50dBm,效率大于45%;电路的功率频率特性如图4所示,在工作带 2.0~2.3GHz内,输入为36dBm时输出功率P1dB大于50.5dBm,功率频率曲线很平坦,达到了设计要求;PA的Two-Tone交调特性 如图5所示,第一载波频率为2.13808GHz,第二载波频率为2.14192GHz,设计的PA Two-Tone在平均输出功率45dBm,IM3小于-35dBc,可以满足CDMA应用要求。PA的增益、效率与输出功率的特性如图6所示,所选的频 率为2.14GHz,由图可知180W固态功率放大器的饱和输出功率达53dBm,功率附加效率达60%。

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图1、大信号条件下增益特性

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图2、输入输出端的回波损耗

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图3、输入输出功率及效率的特性

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图4、输入功率为36dBm时的功率频率特性

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图5、三阶交调特性

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图6、功率增益效率特性

6、结论

本 文利用功率合成的技术设计出S波段输出功率180W的大功率放大器,并充分的考虑了散热和屏蔽盒的设计,结合软件Agilent ADS仿真设计出符合技术指标的功率放大器,论文采用的3dB正交功率合成来实现功率合成,有损耗小、一致性好等优点。并且用HFSS对屏蔽盒进行设计, 使屏蔽盒的设计比较简单。

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