225MHz～512MHz 50W功率放大器研制

1 引言

自1948年發(fā)明固態(tài)電路以來，在短波和超短波通信領域，固態(tài)功放以其高可靠性、長壽命、高用電效率和低供電電壓等優(yōu)勢已基本替代行波管，成為主要的功率放大應用器件。以固態(tài)放大和寬帶功率合成為技術特點的寬帶線性放大器是通信對抗的關鍵技術。但是由于器件和技術的原因，大功率寬帶固態(tài)功放一直靠進口。因此，為解決當前的技術瓶頸，本文以寬帶大功率放大模塊為基礎，利用高效的散熱，我們自主設計了跨越VHF頻段和UHF頻段的225MHz～512MHz50W寬帶大功率射頻放大器。此放大器工作溫度范圍為－40℃～＋65℃，存儲范圍為－55℃～＋85℃，具有過壓、過流及駐波異常等保護措施。

2 設計過程

2.1 放大器組件主要技術指標

工作頻率： 225 MHz～512 MHz；

輸出功率（P1dB）：　 ≥47 dBm；

增益： ≥45 dB；

平坦度： ≤±1.5 dB；

工作電流： ≤10 A ；

工作電壓： ＋24 V；

三階互調： ≤－27 dBc；2.1.8　二次、

三次諧波： ≤－50 dBc；

輸入輸出駐波： ≤1.5。

2.2 工作原理

整個放大器從功能上可以劃分為功率放大部分、收發(fā)開關和監(jiān)控部分三部分。其中收發(fā)開關部分的主要任務是完成收發(fā)通道的切換，監(jiān)控部分主要完成對功率放大部分的實時監(jiān)視以及實現(xiàn)過壓、過流及駐波異常等一些意外情況的保護，以最大限度地保護整機和方便地排除故障，這兩部分技術已經比較成熟，本文不再進行詳細討論。本文主要討論功率放大部分的設計與實現(xiàn)。功率放大部分主要進行小信號的功率放大，它是功放的主體部分，通過它來實現(xiàn)功放的電性能指標，例如增益、輸出功率和功率平坦度等。功率放大器具體示意方框圖如圖1所示。由于工作頻段跨陪頻程，將近300 MHz帶寬，因此設計放大器的關鍵是如何獲得較好的增益平坦度q，克服功率器件增益在每倍頻程增益降低6 dB的特性，得到較好的輸出駐波。筆者運用ADS軟件仿真，采用某公司ＬDMOS器件，選擇合適的輸入輸出匹配，兼顧平坦度及輸出功率，最終達到設計要求。

圖1 放大器的組成方框圖

2.3 電路設計

由于技術指標中二次諧波要求較高，所以采取了分段濾波方式，以340 MHz為界，225 MHz～340 MHz為低波段，340 MHz～512 MHz為高波段，我們自行設計和研制了滿足要求的大功率開關濾波器。為了檢測輸出駐波并實施過駐波保護，輸出端采用雙定向耦合器取樣。同時為了滿足客戶提出的提供接收通道的要求，增加了收發(fā)開關?？紤]放大器后接濾波器、定向耦合器和收發(fā)開關的插損，為了保證最后輸出功率50W，放大器輸出功率達到80W。末級放大部分采用90°電橋功率合成方案。其偏置電路采用熱敏電阻補償電路，其電路圖如圖2所示，實現(xiàn)了靜態(tài)電流在－40℃～＋65℃范圍內穩(wěn)定在±10％以內，從而達到改善整個功放線性的目的。

目前射頻LDMOS的設計技術十分成熟，工作于幾百MHz左右的晶體管可以輸出幾百W的功率。然而隨著器件輸出能力的提高，器件的輸入／輸出阻抗就越來越小，并且隨頻率變化十分劇烈，匹配網絡的設計變得十分困難，尤其是跨倍頻程的大功率匹配網絡。采用多個小功率晶體管合路來實現(xiàn)大功率放大模塊的方式，可以方便地解決晶體管輸入／輸出匹配網絡的設計問題，并且可以將熱源有效地分隔開，降低系統(tǒng)散熱的難度。同時采用這種設計方式，還可以降低由于個別器件失效而造成的影響，提高大功率模塊工作的可靠性。