LDMOS微波功放器设计

杨树坤，李 俊，唐剑平，王 涛

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 前言

在射频应用方面，LDMOS有着更好的线性度、较大的线性增益、高效率和较低的交叉调制失真。同时，LDMOS基于成熟的硅工艺器件，比起其他微波晶体管成本大幅降低，广泛应用于无线通信系统中。

随着3G无线通信和军事领域新技术的迅速发展，作为微波通信系统、雷达、电子对抗、宽带频率调制发射机、数字电视发射机等系统的核心部件，它不仅仅是将信号放大到足够的功率电平，以实现信号的发射、远距离传输和可靠接收，而且对带宽、输出功率、线性度、效率和可靠性方面均提出了更高的要求。

目前，功率放大器的好坏成为制约其系统发展的瓶颈，所以对于微波功率放大器的研究和设计有着重要的意义。

2 功率放大器电路方案设计

微波固态功率放大器的电路设计要考虑的因素较多，其与小信号微波放大器情况不同，作为功率放大器，要求输出功率较大和工作效率较高，同时还要满足带宽、增益和稳定性的要求。由于功率放大器处在大信号状态，放大过程中会产生非线性失真，这需要在设计时着重考虑如何减小非线性失真的影响。此外，功率放大器的设计还要考虑微波功率晶体管的最大允许耗散功率等因素。对于功率放大组件，其增益由多级放大实现，需要进行合理分配增益，将多个单级放大器级联起来。因此，放大器的级间匹配、总体增益、频响特性及整机稳定性等均需统筹考虑。可见，功率放大器的设计比小信号放大器的设计要复杂得多。合理选择功放管、正确确定工作状态、精心设计匹配网络和选择合适的电路是设计微波功率放大器的关键。

设计案例将根据产品的技术指标要求，结合在微波放大器设计和生产中积累的经验，完成整个微波放大电路的设计。电路框架构成如图1。

图1 功放框架图

3 功放的高输出功率设计

在微波功率放大器电路设计中，要实现大功率输出，必须设计合适的放大器链路来让整个电路有能力输出大功率，让功率放大器输出的功率尽可能传递到负载。

3.1 功放管的合理选择

在微波功率放大器电路中，微波功率放大晶体管作为整个放大电路的核心。要想使得所设计的电路达到预期的指标，选择合适的功放晶体管以及相应的辅助半导体元器件是功放设计中十分重要的环节。

选择微波固态功放管时，首先要考虑管子的功率、耐压和使用频率。管子最大额定输出功率应大于要求的输出功率，考虑到管子参数的波动和长期工作的可靠性，要留有足够的余量，一般情况下后者为前者的70%左右。在选择功放管时，对最大容许工作电流、最大耗散功率、最高允许结温度和各级耐压等均应留有余量。放大器的频率应在管子建议的工作频带内，同时还应考虑到管子的可靠性和参数的一致性以及抗疲劳、抗冲击等特性。

经过调查和比较，前级驱动选用纳能科技有限公司的NESD-L0004型硅基N沟道 LDMOS 晶体管，该器件典型输出功率为1W。输出级功率放大器选用纳能科技有限公司的NESD-L0009型硅基N沟道LDMOS 晶体管，该器件典型输出功率为6W，可以满足设计要求。图2为NESD-L0009封装外观图。

图2 NESD-L0009封装外观图

3.2 功放管工作状态的确定

微波固态功率放大器的工作状态主要由功率、效率、失真及被放大信号的性质等要求来确定。为了对信号进行线性放大，通常牺牲效率而采用甲类工作状态；为了得到最大输出功率，同时兼顾有较高的效率及线性度，通常采用甲乙类工作状态，本文采用的功放管即工作在此状态；为提高效率，还可以选择工作在乙类或丙类状态。

由于功率放大器在非线性状态下工作，确定工作点时，除考虑效率外还应兼顾非线性失真的要求。功率放大器的非线性失真可根据转移特性，用泰勒级数公式表示出来，通过计算估计失真度，在设计时也应留有余量。

此外，对于AM-PM失真，它与晶体管是否工作于饱和区密切相关。为减小AM-PM失真，应降低工作点，常称为增益回退。场效应管放大器增益回退通常为2～3 dB。

3.3 功放管匹配电路的设计

为了向负载传送最大功率或者使功放电路处于或接近行波状态，需要用匹配网络。匹配的目的是减少电路损耗、减小增益波动并满足带宽和功率放大的要求。匹配网络对于放大器的驻波比、功率增益、输出功率、抑制谐波、电路稳定性等性能指标都有着决定性或重要的影响。

把功放管的Zin和Zout作为功率晶体管的最佳输入输出阻抗值来进行设计，输入匹配网络的设计着眼于实现较大的功率增益及带宽；输出匹配网络的设计着眼于最大的功率输出及工作效率。匹配电路可以采用网络综合法及实频法，并结合软件仿真来进行设计，设计过程如下：

（1）根据晶体管S参数和器件的输入输出阻抗（由负载牵引测试系统得出），导出其单项化等效电路模型；

（2）根据晶体管的增益斜率和放大器增益要求，确定待综合匹配网络的衰减斜率、波纹、带宽，并导出其衰减函数。宽带匹配网络可以采用巴特沃兹、切比雪夫函数等；

（3）依据衰减函数进行匹配网络的综合；

（4）对综合出来的集中参数匹配网络变换成分布参数网络；

（5）对整个放大器进行特性分析，如果特性不满足预定要求，则进行优化。具体电路则用多级阻抗变换、短截线等微带线电路来实现。

对于级联放大器匹配网络，采用单独设计每级放大器的匹配电路然后级联的设计，具有调试简单、级联方便等优点。

4 设计案例

本文以实际项目需要的微波功率放大器为实例，讨论了产品设计过程中主要考虑的参数。该放大器要求达到的指标为：工作频率400～470 MHz，工作电压7.4 V，l dB压缩点输出功率37.8 dBm；功率增益15 dB左右，PAE大于64%。

表1 P波段微波功率计设计指标

匹配电路为两级级联放大，拓扑结构采用了分立器件和分布参数元件混合使用的方法。这种匹配电路具有精度高、调试方便、体积小等特点。该匹配电路的拓扑结构如图3所示。按照以上设计思路，通过产品电路的调试，输入功率23 dBm，输出功率38.23 dBm（6.65 W），效率69.9%。最终产品的技术指标满足设计指标要求，结果如图4所示。

图3 匹配电路的拓扑结构

图4 最终产品测试结果

5 结束语

本文选用纳能科技有限公司的硅基N沟道LDMOS晶体管NESD-L0004作为前级推动，NESD-L0009为末级功率放大器，通过选择功率放大器工作在甲乙类工作状态，精心设计匹配电路，再通过产品调试和测试，最终设计出输出功率38.23 dBm、增益15 dB、效率69.9%的功率放大器，该功率放大器具有输出功率稳定、增益平坦度小、线性度高、可靠性高等特点。

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