一种小型高性能UHF频段150 W放大器设计

魏利郝，盛荣志，甄建勇，陈小兵

(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。随着电子信息技术的发展，电子系统的高性能小型化已经成为了一个必然的发展趋势［3］，而微波功率放大器的高性能小型化是实现整个电子系统高性能小型化的重要环节之一。为了实现功率放大器的高性能小型化，必须从设计方案到电路实现都应仔细考虑，以尽量减小体积、提高性能指标［4］。

选用中功率的LDMOS功率管、使用传输线变压器实现宽带匹配、通过带状线宽边耦合3 dB电桥完成分/合路、采用全面的控制保护电路［2］，研制了一种宽带、大功率、小型化及高效率的UHF频段150 W放大器。

1 设计方案

放大器需要在UHF频段150 W功率输出、增益55 dB、谐波20 dBc及效率45%以上的指标要求，因此需要采用多级级联的方式实现，经过设计放大器共采用4级放大器级联，推动级由小功率和中功率功放管3级级联而成，末级放大器由多只功率管并联输出，其中末级放大器的效率必须满足50%以上的效率、25 dBc以上的谐波要求。为了提高谐波抑制指标要求，分合路器采用180°和90°同时使用，以提高放大器的偶次谐波和奇次谐波抑制。为了提高放大器的可靠性，设计了全面的控制保护电路，实现过温、过驻波和过激励等保护功能，电路原理如图1所示。

图1 放大器原理

2 设计难点

2.1 功率管的选择

微波功率管是放大器的核心器件［5］，选择得好坏直接影响到放大器指标的实现。在UHF频段研制大功率LDOMS功率管［6］的厂家很多，功率管种类也很多，例 如:BLF546、BLF548、BLF369、BLF573s、MRF6V2150N、 MRF184、 MRF177、 MRF275、MRF6V2300N、D1009UK和UF28150等，效率都在50%～60%之间。每种管子都有自己的特点，输出功率大的管子管芯功率密度大、体积小、可靠性高，但散热密度也大;输出功率小的管芯功率密度小、体积大、可靠性很高，但散热密度小，如何选择合适的功率管是一个关键问题。

小型化设计对散热提出了更高的要求，为了提高功率放大器的高可靠性及适应性，需要采用散热要求不苛刻、散热密度小及可靠性高的功率管，结合输出功率余量、体积和谐波指标的要求，根据调研及大量的测试实验和仿真实验，最终选用4只60 W的MRF184功率管，通过巴伦合路和3 dB电桥合路合成输出150 W以上的功率指标。

2.2 匹配电路优化设计

匹配电路设计是放大器设计过程中最关键的一环，放大器的设计主要就是对匹配电路进行设计。放大器输入匹配网络的设计在于实现比较大的功率增益和工作带宽;输出匹配网络的设计在于获得最大的输出功率和工作效率。

放大器的工作频段为225～400 MHz，频带比较宽，使用集总参数较难实现宽带，使用微带线进行匹配体积太大，传输线变压器具有体积小、频带宽和阻抗变换比设计方便等特点，被广泛应用在平衡转换及阻抗变换中［7］。

3 设计仿真

3.1 末级放大器匹配电路设计

末级放大器采用4只功率管MRF184进行功率管合成，MRF184阻抗在6 Ω左右，为了提高偶次谐波抑制，采用推挽式电路结构形式。需要将阻抗变换到50 Ω，阻抗变比为比较大，采用巴伦分路实现180°分合路，实现2只管子的推挽结构，同时实现1∶2的阻抗变比，再通过 1∶4的传输线变压器［8，9］，实现1∶8的阻抗变换。电路如图2所示。

图2 末级放大器电路

输入巴伦、输出巴伦使用50 Ω射频线SFX50－2半柔线，长度9 cm，完成180°分合路及1∶2的阻抗变换功能。输入、输出传输线变压器使用FST-25-2半钢线，长度8 cm，完成1∶4的阻抗变换，2只管子的根部安装调节匹配电容，调节功率管的匹配。调试后放大器的增益大于15 dB，2只功率管输出功率大于100 W，效率大于54%。

3.2 3 dB电桥设计

为了提高放大器的奇次谐波抑制，放大电路中采用了90°相位差的3 dB电桥进行分路、合路。宽边耦合带状线电桥结构具有插入损耗小、两端口相位和幅值均衡度好、功率容量大、体积小及便于装配等特点，是一种很好的大功率合成方式［5］。宽边耦合带状线的阻抗(偶模阻抗ZOo和奇模ZOe)近似公式如下［10］:

式中，W为带线宽度;S为带线间距;b为板间距;εr为介质基片的相对介电常数;ε为介质基片的介电常数;Cje、Cjo为平行耦合带状线的边缘电容［11］。从式(1)和式(2)可得阻抗与带线间的距离S、带线宽度W及板间距b是直接相关的，计算比较繁琐工程上常用相关软件来设计，本文使用Ansoft软件对其应用进行仿真和计算，使用Ansoft软件进行电路和电磁场仿真，3 dB电桥电路和电磁场仿真结构如图3所示。

通过仿真后印制板选用聚四氟乙烯板材，介电常数为2.2，带状线印制板厚度为3 mm，宽边耦合印制板厚度为0.254 mm，通过电路仿真和电磁场仿真计算出最佳的印制板结构。

图3 3 dB电桥仿真图

3.3 小型化设计

现代电子设备对体积要求很严格，小型化设计尤为重要［12］，设计中采用何种功率器件作为末级放大最节省体积，并且易于实现是设计的最大难点。前级推动实现相对容易，但如何合理的分配各级增益，选择何种器件来实现等问题直接关系整个功放的最终体积。

放大器采用整体设计方法，将放大器作为一个系统设计，综合考虑各级功率器件、分配器、合成器以及外围电路之间的参数匹配，采用系统部件之间的参数耦合弥补单部件性能的不足，获得放大器系统较高的整体性能。

紧凑的匹配电路形式，UHF频段的功放基本上是倍频程工作，同时工作波长较长，采用1∶4传输线变压器作为末级放大器的匹配方式，有效地缩减了匹配电路的体积。

为了减小体积、重量，放大器屏蔽盒作为一个整体进行加工，采用铝板材，盒体内部进行分腔，减小放大电路级间影响，盒体内部对没有散热的部位进行掏空处理，减小重量。

4 加工及性能测试

放大器加工完成后进行了调试，放大器的增益、功率都满足要求。常温调试后进行高低温试验测试，所有温度下满足指标要求，最终的整机输入驻波比小于1.2∶1、谐波抑制优于22 dBc、效率优于45.5%，屏蔽盒的体积为241 mm×106 mm×31 mm、重量小于1.52 kg、输出功率和增益指标如表1所示。放大器的实物照片如图4所示。

表1 放大器测试结果

图4 150 W放大器实物

5 性能测试结果分析

由放大器的测试结果分析，小型高性能UHF频段150 W放大器的各项指标均满足系统要求，并通过了环境试验测试，在－40°～+55°的高低温环境下各项指标变化不大，均满足要求。

为了提高功率放大器的高可靠性及适应性，不能使用输出功率密度高、功耗密度大的功率管，只能采用高效率的小功率进行合成，由于有合路器的损耗，降低了模块整体的效率，但提高了可靠性，

6 结束语

使用高可靠性、高效率功率管，采用传输线变压器进行阻抗匹配，使用巴伦线和3 dB电桥进行分合路，通过小型化设计研制的UHF频段150 W功率放大器，测试放大器各项指标均满足要求，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。为了提高可靠性，设计时采用了中功率的管子进行合成的方案，但体积不是最优，下一步可采用高压的LDMOS功率管，可进一步提高效率、减小体积，但由于热密度大，对散热要求比较苛刻。

［1］ 张书敬．SiC宽带功率放大器模块设计分析［J］．无线电工程，2011，41(5):39 －42．

［2］ 敦书波，杨 懿，魏利郝．L频段1 500 W固态连续波功放的设计与实现［J］．无线电工程，2013，43(5):45－47，58．

［3］ 陈宝林．小型化频率综合器技术分析［J］．无线电通信技术，2013，39(3):67 －68，96．

［4］ 高文生，何 巍．一种模块化小型化的机载卫星通信设备［J］．无线电通信技术，2003，29(2):8 －10．

［5］ 赵正平．固态微波器件与电路的新进展［J］．中国电子科学研究院学报，2007(4):229－335．

［6］ 李德昌，韩洪波．高效LDMOS微波功率放大器的设计与分析．［J］电波科学学报，2007(9):275 －278．

［7］ 曹云建，陈迎春．小型化模块化低噪声放大器设计［J］．无线电工程，2014，44(5):71 －74．

［8］ 韩洪波．LDMOS微波功率放大器研制及线性化研究［D］．西安:西安电子科技大学，2007．

［9］ 张海枝．传输线变压器在射频功率放大器中的应用［J］．现代电子技术，1998(7):15 －17

［10］王朝阳，李 军，吕高庆．一种大功率宽边耦合带状线合成器的设计［J］．真空电子技术，2011(5):43－46．

［11］杜晓燕，牛忠霞，周东方．传输线变压器巴伦的分析［J］．信息工程大学学报，2003(2):75 －77．

［12］王一农．一种机载干扰系统发射机的设计［J］．船舰电子工程，2010(6):170－172．