一种S 波段线性CDMA 用高功率放大器

宋俊魁

(中国电子科技集团公司第13 研究所 第5 专业部，河北 石家庄 050051)

CDMA 以其本身所具有的特点及优越性，广泛应用于数字移动通信和个人通信系统中。随着微波通讯技术，尤其是移动通信系统CDMA 的发展，市场对微波放大器的功率、线性等性能指标提出更高的要求。近几年，国内对其进行了大量研究［1－6］，其目的主要是从功率、线性和尺寸等方面进行研究。

基于上述背景，利用最新的LDMOS 器件，成功研制了应用于CDMA 基站的高功率线性放大器，其具有增益高、输出功率平坦的特性，且具有较低的三阶交调失真。其高功率合成采用新颖的方式，为更高功率的合成提供了参考。

1 电路原理

1.1 功率管的功率合成

选择合适的功率合成方式是高功率放大器的设计核心，最简单的传统两路等功率分配器［7］如图1 所示，两路功分器相位差为0°。

为保障端口匹配，微带线的阻抗Zc和长度l 需要满足下列式(1)的条件

图1 简单的功率分配器的电路拓扑图

式(1)中，Z0为系统的特性阻抗;λg为工作频带的波长。这种功分器的主要优点是加工工艺简单、易于实现。当把其中一条支路延长λg/2，两路的相位差为180°，功分器输出的两路之间构成“虚地”，便于调试。这种平衡结构的功率合成方式也称为推挽式功率合成，在大功率合成中得到广泛应用。利用推挽电路两路之间的“虚地”，可减小功率合成和调试的尺寸。

1.2 宽边耦合线的理论分析

宽边耦合线［8］构成的耦合器具有高方向性，基本结构如图2 所示。

图2 中，W 为微带线的宽度;S 为耦合微带线之间的距离;P 为耦合微带线的物理长度;B 为介质导体厚度，基片和覆盖介质的介电常数均为εr，上下基片厚度一致。这种结构中奇、偶模的相速Vpe均衡在千分之几以内，近似相等，能实现耦合器的高方向性。

图2 宽边耦合线的结构图

2 电路设计

2.1 单管放大器的设计

高功率放大器的单管电路原理图如图3 所示。其输入、输出采用平衡结构的推挽功率分配器和合成器，对单个功率晶体管内部集成的对管进行合成。

图3 高功率放大器的电路原理方框图

高功率晶体管为LDMOS 对管器件，在S 波段连续波线性输出功率达到180 W，其内部构造是一对完全相同的功率晶体管芯片封装在一个管壳内，因此对管具有良好的对称性，便于实现功率的合成。该器件的阻抗参数如表1 所示。

表1 功率器件的阻抗参数

为得到最大的输出功率，匹配电路和功率器件的匹配需要满足

由式(2)可看出，当匹配阻抗与被匹配阻抗成共轭关系时，放大器输出功率达到最大。通过计算机CAD 可仿真出功率晶体管匹配电路并输出PCB 版图［9］，由于LDMOS 功率器件增益较高容易自激振荡，在仿真优化时稳定系数K 值要尽量高。最终的功率晶体管仿真匹配电路PCB 版图如图4 所示，其中WB1和WB4、WB3和WB2之间形成“虚地”。

图4 功率晶体管仿真匹配电路PCB 版图

2.2 功率合成器的设计

高功率合成有多种方式，90°正交耦合线是一种较好的方式，其截面形体为正方形，方便安装，其由一对导线组成，中心导体周围是一层连续介质绝缘体，具有半钢性同轴电缆物理特性和精确TEM 模式平行耦合线耦合器的电性能。这种电性能包括低VSWR、低插入损耗、高方向性和对内部调制产物的高抑制性。应用时只要按公式截取相应长度的WIREPAC 线直接应用即可。这种耦合器功率容量最大为500 W，符合使用要求，但该方式的缺点是分配(合成)两端口的平衡性较差，且无法调节。而宽边耦合线具有体积小、功率容量大、损耗小、分配(合成)端口平衡性能优等特点，因此选用宽边耦合线作为最终的功率合成方式。

宽边耦合线合成器的设计主要分为功率容量和电性能两个方面。设计的功率合成器的功率容量要求为300 W，考虑到功率余量，按照500 W 的功率容量来设计。在此种设计中，关键考虑馈线中间层耦合微带板的击穿电压，只要中间层耦合微带板能承受最大击穿电压Vmax，则功率容量P 就能满足要求，其中R 是微带的特性阻抗，为50 Ω。微带板的击穿电压按式(3)，可方便得求得

利用式(4)可求得Vmax=158 V。而选用的TFE(Teflon)特氟龙材料制成的板材击穿电压为300 000 V/inch，换算成击穿电压为11 811 V/mm。当选用0.5 mmTFE 时，击穿电压5 906 V，远大于所需，因此功率容量是合适的。利用微波辅助设计软件对宽边耦合线合成器进行了建模和仿真，得到的仿真结果如图5 所示。

如图5 所示，合成器仿真结果为:差损≤0.1 dB;输入输出驻波VSWR ≤1.07。实际结果为:差损≤0.2 dB;反射驻波比≤1.15 dB，完全满足使用要求。

2.3 功率放大器的结构设计

S 波段300 W 连续波功率放大器，由于其增益和功率均较高，末端的功率信号易耦合到输入端引起自激和干扰，因此设计时必须注意前后级之间的隔离，特采取以下措施:射频链路和电源电路进行分腔设计以防止微波信号通过腔体效应耦合到前级从而引起自激;馈电采用馈通滤波器和穿芯电容以防止微波信号通过电源线串扰;射频放大链路适当位置放置隔离器以增加反向隔离，可有效地防止由于增益过高引起自激。

图5 宽边耦合线合成器插损和驻波仿真结果

3 测试结果与讨论

根据上述理论分析和电路仿真结果设计制作了测试电路，最终调试后的末级电路实物如图6 所示，由于输出功率较大，腔体四周贴了吸收材料，电源线上套上了磁环，这些措施有效屏蔽了电磁辐射，使放大器工作更稳定。

图6 末级电路实物图

放大器最终测试结果如图7 所示，f1为S 波段内一频率点，放大器带宽90 MHz，图中曲线为放大器在线性输出功率P－1为300 W 时的功率增益曲线;由图中可看出，放大器在频带内增益波动≤±0.3 dB，达到了较好的平坦度;由于放大器为CDMA 应用，因此测试了三阶互调指标≤－45 dBc(输入两间隔5 MHz，总功率在P－1回退7 dB 时);幅相变换≤3°/dB(输出P－1时)。

图7 放大器增益测试结果

结果表明，具有“虚地”的推挽电路对对管功率合成具有较好的合成效果;宽边耦合线合成器也能满足S 波段高功率合成的应用，且易于结构排布;但当输出功率较高时，末端功率容易通过宽边耦合线功率合成器的四周缝隙泄露到前级对整个放大器性能造成影响，这可通过对宽边耦合线功率合成器边缘包裹金属胶带接地、盒体分腔设计等措施来解决。

4 结束语

本文介绍了一种S 波段高功率线性CDMA 应用放大器，其采用两只对管结构的LDMOS 功率晶体管进行功率合成。单个对管结构的LDMOS 晶体管功率合成采用了相差180°相位(产生“虚地”)的推挽电路，最后合成采用了宽边耦合线形式，大幅减小了高功率放大器的尺寸，简化了合成器的工艺安装，提高了生产效率。

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