L频段1 500 W固态连续波功放的设计与实现

敦书波，杨 懿，魏利郝

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

微波功率放大器［1］在导航、雷达、卫星通讯、无线通信和电子对抗设备等系统中的应用越来越广泛［2］，是现代无线通信的关键设备。在现代通信系统中，微波功率放大器扮演着重要的角色［3，4］，其技术性能的好坏直接影响通讯系统的通讯质量和通讯距离等技术指标［5］。微波固态功率放大器由其自身的高可靠性和长寿命等特点，越来越受到通讯系统的青睐，其技术发展也越来越成熟［6］。

使用LDMOS功率管通过宽带匹配技术［7］、径向合成技术［8］和高效散热技术［9］，研制了一种宽带、大功率、固态、连续波功放，在L频段输出功率高于 1 500 W，增益大于 63 dB，谐波抑制高于32 dBc。

1 设计方案

功放整机输出功率比较大，连续波1 500 W以上，采用单只功率管无法满足指标要求，因此需要进行功率合成。目前此频段的大功率BJT晶体管、LDMOS功率管多为脉冲形式，连续波工作得很少;在附近频段920～960 MHz有大功率的LDMOS功率管，由于工作频带不一样，需要跨频带匹配才能使用;第三代半导体GaN功率管输出连续波功率在100 W左右，效率在45%左右，但其价格比较高，虽然随着国外生产线成品率的提升其价格比刚开始下降了不少，但仍是同频段同等功率LDMOS功率管价格的5倍左右，甚至更高。综合考虑，最终使用临近频带的大功率LDMOS功率管研制了此频段150 W功率模块，通过多次功率合成实现整机连续波1 500 W功率输出。

功放整机输出功率比较大，机箱比较多，包含电源共计7个机箱:1个推动机箱、2个末级机箱和4个电源机箱，另外还有COM0912四合路及耦合器和检波器等部件，具体原理框图如图1所示。

输入小信号进入推动机箱，经过放大后输出4路完全一样的中功率信号，4路信号进入末级机箱进行放大，放大后的4路信号进入COM0912四合路及耦合器完成大功率合成，同时耦合出前向、反向小信号通过检波器后进入推动机箱完成整机控制。

图1 功放原理

2 设计难点

2.1 功率管的选择

在L频段大功率的功率管多为脉冲工作方式，使用在连续波环境下比较少，大功率输出的功率几乎没有，经过多方调研最终选用临近频带的大功率LDMOS晶体管，采用跨频带匹配技术实现宽频带大功率匹配，实现频带在960～1 215 MHz的大功率输出。

2.2 全面的控制保护电路

作为一个具体的功率放大器系统，为了保证整机良好可靠的工作，需要对功率放大部分进行监视以及对一些意外情况做出及时反应，以最大限度地保护整机和方便地排除故障［10］。设计过程中采用了过温保护、过激保护、过波比保护和过流保护等，整机采用多路合成的方式实现高功率输出，为了检测合成的各支路是否损坏，设计了不平衡保护，实时检测合成各路的平坦度，保护功放整机。

3 设计仿真

3.1 L150放大器设计

根据调研及大量的测试实验，选择220 W的LDMOS功率管，该功率管使用频带为920～960 MHz，在标称频带内增益大于17.5 dB、单音输出功率大于200 W，经过跨频带匹配后在960～1 215 MHz频带内单音输出功率大于120 W、增益大于14.5 dB、多音信号120 W输出时工作正常，可以作为L150放大器末级放大。为了满足使用要求，末级采用2路功率管合路方式，使用180°分/合路方式，增加偶次谐波抑制;推动级选择Freescale公司的30 W的LDMOS功率管MRF284作为推动级，为了减小级间的牵引，在放大器入口和2级放大之间使用隔离器进行隔离，电路图如图2所示。

图2 L150放大器原理

由于LDMOS功率管厂家没有大信号模型，也没有给出使用频带的S参数或阻抗参数，因此只能采用动态阻抗法，通过实际对每个频点进行功率测试，并记录每个点的最大功率、增益的匹配电路，通过对匹配电路的计算获取功率管每个频点的实际阻抗值，通过共轭匹配法对全频带进行阻抗匹配实现宽带匹配，使用ADS计算出功率管的阻抗如表1所示。

表1 LDMOS功率管阻抗

为了使功率管的输出功率、增益达到最佳值，需要采用共轭匹配技术［11］。实现共轭匹配的条件为:

这些条件被称为同时共轭匹配条件。当输入和输出匹配时，可以得(VSWR)IN=(VSWR)OUT，此时功放的输出功率最大。

在低频段通常采用集总参数元器件进行匹配，在高频段通常采用微带线进行匹配，也可以采用微带线和集总参数元器件混合式进行匹配。本方案中要进行多模块功率合成，需要保证模块之间的幅度/相位一致性，为了减少后期的调试难度，全部采用微带电路进行阻抗匹配。

第2级功率管需要进行功率合成，为了提高偶次谐波抑制，采用180°的分合路方式，传统的巴伦的加工和装配很难保证一致性，为了提高模块的一致性指标，采用了微带巴伦［11］进行分合路。

第1级使用功率管MRF284，Freescale厂家功率管的ADS大信号模型，根据此模型使用ADS仿真软件搭建直流偏置电路图、匹配电路图，对功率管进行仿真，并使用谐波平衡法对匹配电路进行分析，检验电路的压缩特性、非线性特性、稳定性是否满足指标要求，如果不满足，再对电路进行优化设计直到指标满足要求。

3.2 推动级放大模块设计

末级模块L150放大器的增益大于21 dB，2次四分路四合路及连接电缆的损耗最大为3 dB，为了保证末级模块获得足够的推动功率，推动级放大模块的输出功率P≥1500 W-21 dB+3 dB≥24 W，G≥45 dB，为了留有一定余量，推动级放大模块设计为50 W的放大器。

为了保证整机的线性度指标，采用功率回退法实现。模块要求输出功率为50 W，谐波抑制大于40 dBc，根据指标设计电路，50 W推动级电路采用和L150放大器电路形式基本一样，末级采用MRF284和LDMOS功率管进行放大，但工作电压降到+13 V，L频段50 W放大器采用4级放大电路，分别为ERA-51、MRF281、MRF284和LDMOS功率管。其中后2路采用并联结构，第1级分合路采用威尔金森同相形式，第2级采用微带巴伦180°形式，提高偶次谐波抑制。

L150放大器的输出功率计算为150 W，按电压的平方和输出功率成正比的关系，2只工作在+13 V的LDMOS功率管合路输出功率应为:

合路损耗按0.3 dB计算，工作在+13 V的4只功率管进行合成输出功率大于60 W，因此模块工作状态回退了3 dB，2次谐波抑制在30 W状态下比满功率高3 dB，3次和3阶互调比满功率时高6 dB。

3.3 COM0912四合路及耦合器设计

四合路器采用不带隔离电阻的径向n路分/合路器电路形式。4路支路直接采用径向形式合成，合路点转为同轴线形式，其合路点的实际阻抗为12.5 Ω，为了实现匹配，采用多节的1/4波长线进行阻抗变换。

耦合器采用同轴线耦合方式，因为功率放大器工作的频带为250 MHz，使用一节1/4波长的耦合线即可满足使用要求。为了保证前向耦合和反向耦合互不影响，耦合器采用双耦合方式，即2组完全一样的耦合器，一组用于前向耦合检测，另一组用于反向耦合检测。

为了节省空间，整机的四合路器与耦合器设计在了一起，使用HFSS仿真如图3所示。

图3 四合路及耦合器的级联仿真建模

3.4 结构及散热设计

功放最终整机占用31U标准机柜空间，其中4台电源使用12U空间，2个末级机箱共占用14U空间，推动机箱用1个5U空间。推动机箱和末级机箱使用高效散热器，散热器安装在机箱中间，放大器模块等部件安装在散热器上下两面，利于整机的散热。

使用Icepark软件研制的高效散热器(肋片厚度1 mm，肋片孔洞88 mm，底座10 mm)，并对机箱进行优化仿真。L150放大器放置在散热器前端进风口处，风扇采用480 m3/h大风量风扇，采用抽风的工作方式。通过仿真计算结果得出，在环境温度为55℃时，功率管沟道温度为179.75℃，沟道最高允许温度为200℃，因此功率管可以稳定可靠地工作。

4 性能测试

功放设计加工完成后先后对各模块进行了调试，整机级联安装后对进行了大量的调试，并进行高低温试验测试，最终的整机测试结果如表2所示，其中，频率为 960 MHz时，输入驻波比为1.3∶1;频率为1 215 MHz时，谐波抑制为32 dBc。

表2 整机测试结果

5 性能测试结果分析

由整机的测试结果分析，L频段1 500 W连续波固态功放的各项指标均满足系统要求，并通过了环境试验测试，在-20～+55℃的高低温环境下各项指标变化不大，均满足要求。功放整机的设计包含了全面的控制保护电路，测试过程中对整机的各项保护都进行了测试。

整机最后合成采用不带隔离的径向合路器，如果某一放大链路由于模块的损坏功率降低而牵引到其他几路的输出功率，形成不稳定状态有可能进一步损坏其他没有故障的模块，因此整机设计了不平衡保护和4路放大链路的高驻波保护电路。通过人为地将某一路模块断电造成模块损坏的现象测试，整机的不平衡保护、损坏的放大链路高驻波保护均启动了保护措施，保护了其他模块。

6 结束语

上述使用ADS、HFSS和Icepark等软件进行优化仿真，研制了L频段1 500 W功率放大器，通过实际测试功放各项指标均满足要求。考虑成本问题，选用了LDMOS功率管，通过宽带匹配实现大功率输出，实际使用表明其工作稳定，可靠性高，具有很高的工程实用价值。但其效率较低，如果对效率要求苛刻，需要采用效率更高的第三代半导体进行放大器研制。

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