基于ADS的L频段160 W高效功放的设计与实现

邵科峰，王文灿，李五星

(1.中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047；2.中国人民解放军96901部队，北京 100094)

0 引言

目前固态功放[1]在雷达、通信和干扰等领域有广泛的应用，技术成熟，性能稳定可靠，使用寿命长，价格较低[2-3]。LDMOS[4]功率管大量用于L频段连续波大功率固态功放[5-6]。固态功放功率合成已有微带巴伦等分路合成技术[7-9]。对于此类功放的功率、增益和带宽等研究已经较为深入，取得了不少成果[10-12]，但是关于功放的效率论述相对较少。GaN功率管效率较高[13]，但是价格较高，线性度较差；在带宽较窄时，硅功率管效率也比较高，特别在大规模使用大功率功放时，功放的效率和成本就显得十分重要。

本文设计实现的功放在大功率输出时效率很高，很好地兼顾了功率和效率。采用合成效率高、结构简洁的渐变微带2路功率合成器[14]和一款高性能、高性价比的LDMOS硅功率管，基于ADS软件对其进行设计仿真和调试。

1 功放设计与实现

使用ADS软件采用负载牵引、史密斯圆图工具和谐波平衡等方法设计功放管的匹配电路，仿真功放的输出功率、增益、效率、二次谐波和三阶交调等指标，并对其进行优化[15]；按照仿真结果加工生产实际电路并进行调试；记录分析调试结果。

1.1 研究对象

功放使用2只LDMOS硅功率管，采用渐变微带功率合成器，设计匹配电路、加工生产实际电路并进行调试。

1.2 功率合成与匹配电路设计

1.2.1 渐变微带功率合成器选择

N路Wilkinson平面合成器较好地实现了平面功率合成，但由于平衡电阻的存在，电路稍显复杂。在N路Wilkinson平面合成器的基础上，电路结构不断优化，提出了许多新型N路平面合成器。

Abouzahra等提出了扇形合成器，因为这种电路结构可以看作圆周功率合成器的一部分，所以可以沿用类似的分析方法，即阻抗矩阵法。

自阻抗和转移阻抗为：

式中，Wi，Wj分别为第i和第j端口的有效宽度；dsi，dsj分别为沿端口宽度方向的距离增量；G(si/sj)为扇形的二维阻抗Green函数。

根据波的衍射特性，渐变微带N路功率合成器进一步演变简化，最新分析模型如图1所示。

第I段的输入端和第IV段的输出端是常规微带，其特性阻抗为50 Ω。第Ⅱ段为过尺寸微带，其特性阻抗为：

式中，N为合成路数；ZI为第I段微带阻抗。第III段为阻抗渐变微带，可采用线性渐变、正弦渐变和Klopfenstein渐变等形式。为了易于仿真和加工，本文选择线性渐变的形式。

图1 渐变微带N路功率合成器分析模型Fig.1 Analysis model of N-way gradient microstrip power synthesizer

1.2.2 匹配电路设计

使用ADS软件，运用负载牵引、共轭匹配和谐波平衡等方法逐步设计仿真优化，得到相对最终的匹配电路。

① 对功率管进行输出负载牵引，先建立负载牵引，原理如图2所示。再进行仿真计算，选取最佳输出阻抗值，所谓最佳是指在功率和效率之间做平衡处理。

(a) 功率管输出负载测试原理

(b) 功率管输出阻抗取值范围图2 功率管输出负载牵引原理Fig.2 Schematic diagram of power tube output load pull

② 使用输出的阻抗值进行共轭匹配，共轭匹配条件如下：

设信号源的内阻抗为Zg=Rg+jXg，传输线的输入阻抗为Zin=Rin+jXin，则有Zg=Zin*，即Rg=Rin;Xg=-Xin。

在满足以上共轭匹配条件下，信号源给出的最大功率为:

用软件的斯密斯圆图工具，设计输出匹配电路，再用输出匹配电路对功率管进行输入负载牵引，先建立负载牵引，原理如图3所示，再进行仿真计算，选取最佳的输入阻抗值，同样是在功率和效率之间做平衡处理。

(a) 功率管输入负载测试原理

(b) 功率管输入阻抗取值范围图3 功率管输入负载牵引原理Fig.3 Schematic diagram of power tube input load pull

③ 使用输入的阻抗值进行共轭匹配，用软件的斯密斯圆图工具，设计输入匹配电路，再同时使用功率管的输入输出匹配电路，建立完整的匹配电路，原理如图4所示，用来仿真功放在P-1功率输出时的功率、增益和效率等指标。通过谐波平衡仿真的方法对电路各参数进行优化，以最大程度地追求输出功率和效率。

经过大量细致地调谐和优化，功率管输出P-1功率、增益和效率，如图5、图6和图7所示。f0，f1，f2分别是频段的低端频点、中间频点、高端频点。

图5 功率管输出P-1功率Fig.5 Power tube output power P-1

图6 功率管增益Fig.6 Power tube gain

图7 功率管效率Fig.7 Power tube efficiency

由图5～图7可以看出，功率管在f0～f2频段输出P-1功率≥52.12 dBmW(164 W)，增益≥18.16 dB，效率≥56.12%。

1.3 实际电路调试

实际电路加工、电装和机装完成后，加电测试，发现大功率输出的频率范围比设计仿真结果向低端偏离10 MHz，采取更改电容的容值和位置、改变微带线的尺寸等措施进行调试和记录。

1.4 测试结果与分析

调试完成后的测试值如表1所示，电路外形尺寸70 mm×60 mm,实物如图8所示。

表1 功放指标测试表

图8 功放实际电路Fig.8 Photo of power amplifier actual circuit

可以看出，此功放的尺寸小，集成度高，电路简洁、匹配器件少，在批量生产时电路一致性会很好，适合批量生产。在输出160 W时效率最低为54.2%，最高可达61.4%，且谐波和交调指标也很好。

2 结束语

使用本文方法设计LDMOS硅功率管匹配电路非常简洁，整个电路尺寸很小，集成度高，特别适合密集阵列使用；设计工作量大幅减小，设计效率大幅提高；匹配元器件数量很少，调试量非常小；电路指标参数仿真准确度极高、实测指标很接近仿真值，基本做到设计即真实。此款功放输出功率160 W时，效率很高，大幅降低了对电源输出能力和散热器尺寸的要求，进一步降低了系统的成本、功耗、质量和体积，大规模使用时节能环保效果更加明显。另外，在调试过程中发现，该电路形式工作频带可调范围较宽，可向更低端调节，也可向更高端调节，可适当降低功率效率、扩展带宽，也可以收窄带宽、达到更高的功率和效率，进一步增加了其应用范围。