S波段固態(tài)功率放大器的仿真設(shè)計(jì)

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(zhuǎn)化成射頻功率的直流功率部分在功率管內(nèi)部以熱的形式散放出來，功率放大器正常工作時(shí)，功率管的溫度會(huì)急劇升高。為了保證固態(tài)功率放大器穩(wěn)定可靠的工作，應(yīng)將功率管自身的熱量及時(shí)排散掉，使芯片的溫度保持在允許最高結(jié)溫以下，這就要求具有較強(qiáng)的散熱能力。本文通過對(duì)功率管的法蘭溫度進(jìn)行理論分析和計(jì)算，分析并得出放大器穩(wěn)定工作時(shí)能承受的最高管殼溫度和法蘭溫度，從而結(jié)合實(shí)際進(jìn)行功率放大器的散熱設(shè)計(jì)。

功放屏蔽盒主要起電屏蔽的作用，應(yīng)滿足一定的電磁兼容條件，盡量減小功放電路的微波輻射信號(hào)對(duì)整個(gè)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(huì)減小微波元件由于輻射信號(hào)造成的影響(如減小反饋、增益波動(dòng)以及改善隔離度等)。本文設(shè)計(jì)的S波段功率放大器，其工作頻率半波長(zhǎng)約為5cm，為避免盒體內(nèi)產(chǎn)生波導(dǎo)傳輸效應(yīng)，盒體的橫向?qū)挾仍O(shè)計(jì)為5cm左右，并且根據(jù)實(shí)際電路結(jié)構(gòu)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(jù)實(shí)際器件尺寸在HFSS軟件中對(duì)腔體尺寸進(jìn)行仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)好的功放盒體的結(jié)構(gòu)模型。

5 功率放大器的仿真

本文利用Agilent ADS軟件對(duì)180W功放進(jìn)行仿真，仿真得到電路的大信號(hào)增益特性如圖1、圖2所示，輸入36dBm功率信號(hào),在2.0～2.3GHz頻帶范圍內(nèi)，輸出功率增益可達(dá)14.7dB。在2.05～2.25GHz頻帶范圍內(nèi),增益起伏小于0.2dB。輸入輸出的回波損耗小于－23dB。

電路的功率效率特性如圖3所示，P1dB的頻帶范圍為1.94～2.3GHz，輸出功率大于50dBm，效率大于45％；電路的功率頻率特性如圖4所示，在工作帶2.0～2.3GHz內(nèi)，輸入為36dBm時(shí)輸出功率P1dB大于50.5dBm，功率頻率曲線很平坦，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；PA的Two-Tone交調(diào)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(shè)計(jì)的PA Two-Tone在平均輸出功率45dBm，IM3小于－35dBc，可以滿足CDMA應(yīng)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(tài)功率放大器的飽和輸出功率達(dá)53dBm,功率附加效率達(dá)60%。

圖1 大信號(hào)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