LDMOS微波功放器設(shè)計(jì)

楊樹坤，李 俊，唐劍平，王 濤

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 前言

在射頻應(yīng)用方面，LDMOS有著更好的線性度、較大的線性增益、高效率和較低的交叉調(diào)制失真。同時(shí)，LDMOS基于成熟的硅工藝器件，比起其他微波晶體管成本大幅降低，廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)中。

隨著3G無(wú)線通信和軍事領(lǐng)域新技術(shù)的迅速發(fā)展，作為微波通信系統(tǒng)、雷達(dá)、電子對(duì)抗、寬帶頻率調(diào)制發(fā)射機(jī)、數(shù)字電視發(fā)射機(jī)等系統(tǒng)的核心部件，它不僅僅是將信號(hào)放大到足夠的功率電平，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)射、遠(yuǎn)距離傳輸和可靠接收，而且對(duì)帶寬、輸出功率、線性度、效率和可靠性方面均提出了更高的要求。

目前，功率放大器的好壞成為制約其系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸，所以對(duì)于微波功率放大器的研究和設(shè)計(jì)有著重要的意義。

2 功率放大器電路方案設(shè)計(jì)

微波固態(tài)功率放大器的電路設(shè)計(jì)要考慮的因素較多，其與小信號(hào)微波放大器情況不同，作為功率放大器，要求輸出功率較大和工作效率較高，同時(shí)還要滿足帶寬、增益和穩(wěn)定性的要求。由于功率放大器處在大信號(hào)狀態(tài)，放大過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生非線性失真，這需要在設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮如何減小非線性失真的影響。此外，功率放大器的設(shè)計(jì)還要考慮微波功率晶體管的最大允許耗散功率等因素。對(duì)于功率放大組件，其增益由多級(jí)放大實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)行合理分配增益，將多個(gè)單級(jí)放大器級(jí)聯(lián)起來(lái)。因此，放大器的級(jí)間匹配、總體增益、頻響特性及整機(jī)穩(wěn)定性等均需統(tǒng)籌考慮?？梢?，功率放大器的設(shè)計(jì)比小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多。合理選擇功放管、正確確定工作狀態(tài)、精心設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)和選擇合適的電路是設(shè)計(jì)微波功率放大器的關(guān)鍵。

設(shè)計(jì)案例將根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)要求，結(jié)合在微波放大器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中積累的經(jīng)驗(yàn)，完成整個(gè)微波放大電路的設(shè)計(jì)。電路框架構(gòu)成如圖1。

圖1 功放框架圖

3 功放的高輸出功率設(shè)計(jì)

在微波功率放大器電路設(shè)計(jì)中，要實(shí)現(xiàn)大功率輸出，必須設(shè)計(jì)合適的放大器鏈路來(lái)讓整個(gè)電路有能力輸出大功率，讓功率放大器輸出的功率盡可能傳遞到負(fù)載。

3.1 功放管的合理選擇

在微波功率放大器電路中，微波功率放大晶體管作為整個(gè)放大電路的核心。要想使得所設(shè)計(jì)的電路達(dá)到預(yù)期的指標(biāo)，選擇合適的功放晶體管以及相應(yīng)的輔助半導(dǎo)體元器件是功放設(shè)計(jì)中十分重要的環(huán)節(jié)。

選擇微波固態(tài)功放管時(shí)，首先要考慮管子的功率、耐壓和使用頻率。管子最大額定輸出功率應(yīng)大于要求的輸出功率，考慮到管子參數(shù)的波動(dòng)和長(zhǎng)期工作的可靠性，要留有足夠的余量，一般情況下后者為前者的70%左右。在選擇功放管時(shí)，對(duì)最大容許工作電流、最大耗散功率、最高允許結(jié)溫度和各級(jí)耐壓等均應(yīng)留有余量。放大器的頻率應(yīng)在管子建議的工作頻帶內(nèi)，同時(shí)還應(yīng)考慮到管子的可靠性和參數(shù)的一致性以及抗疲勞、抗沖擊等特性。

經(jīng)過(guò)調(diào)查和比較，前級(jí)驅(qū)動(dòng)選用納能科技有限公司的NESD-L0004型硅基N溝道 LDMOS 晶體管，該器件典型輸出功率為1W。輸出級(jí)功率放大器選用納能科技有限公司的NESD-L0009型硅基N溝道LDMOS 晶體管，該器件典型輸出功率為6W，可以滿足設(shè)計(jì)要求。圖2為NESD-L0009封裝外觀圖。

圖2 NESD-L0009封裝外觀圖

3.2 功放管工作狀態(tài)的確定

微波固態(tài)功率放大器的工作狀態(tài)主要由功率、效率、失真及被放大信號(hào)的性質(zhì)等要求來(lái)確定。為了對(duì)信號(hào)進(jìn)行線性放大，通常犧牲效率而采用甲類工作狀態(tài)；為了得到最大輸出功率，同時(shí)兼顧有較高的效率及線性度，通常采用甲乙類工作狀態(tài)，本文采用的功放管即工作在此狀態(tài)；為提高效率，還可以選擇工作在乙類或丙類狀態(tài)。

由于功率放大器在非線性狀態(tài)下工作，確定工作點(diǎn)時(shí)，除考慮效率外還應(yīng)兼顧非線性失真的要求。功率放大器的非線性失真可根據(jù)轉(zhuǎn)移特性，用泰勒級(jí)數(shù)公式表示出來(lái)，通過(guò)計(jì)算估計(jì)失真度，在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)留有余量。

此外，對(duì)于AM-PM失真，它與晶體管是否工作于飽和區(qū)密切相關(guān)。為減小AM-PM失真，應(yīng)降低工作點(diǎn)，常稱為增益回退。場(chǎng)效應(yīng)管放大器增益回退通常為2～3 dB。

3.3 功放管匹配電路的設(shè)計(jì)

為了向負(fù)載傳送最大功率或者使功放電路處于或接近行波狀態(tài)，需要用匹配網(wǎng)絡(luò)。匹配的目的是減少電路損耗、減小增益波動(dòng)并滿足帶寬和功率放大的要求。匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)于放大器的駐波比、功率增益、輸出功率、抑制諧波、電路穩(wěn)定性等性能指標(biāo)都有著決定性或重要的影響。

把功放管的Zin和Zout作為功率晶體管的最佳輸入輸出阻抗值來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)著眼于實(shí)現(xiàn)較大的功率增益及帶寬；輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)著眼于最大的功率輸出及工作效率。匹配電路可以采用網(wǎng)絡(luò)綜合法及實(shí)頻法，并結(jié)合軟件仿真來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

（1）根據(jù)晶體管S參數(shù)和器件的輸入輸出阻抗（由負(fù)載牽引測(cè)試系統(tǒng)得出），導(dǎo)出其單項(xiàng)化等效電路模型；

（2）根據(jù)晶體管的增益斜率和放大器增益要求，確定待綜合匹配網(wǎng)絡(luò)的衰減斜率、波紋、帶寬，并導(dǎo)出其衰減函數(shù)。寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)可以采用巴特沃茲、切比雪夫函數(shù)等；

（3）依據(jù)衰減函數(shù)進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)的綜合；

（4）對(duì)綜合出來(lái)的集中參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)變換成分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)；

（5）對(duì)整個(gè)放大器進(jìn)行特性分析，如果特性不滿足預(yù)定要求，則進(jìn)行優(yōu)化。具體電路則用多級(jí)阻抗變換、短截線等微帶線電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于級(jí)聯(lián)放大器匹配網(wǎng)絡(luò)，采用單獨(dú)設(shè)計(jì)每級(jí)放大器的匹配電路然后級(jí)聯(lián)的設(shè)計(jì)，具有調(diào)試簡(jiǎn)單、級(jí)聯(lián)方便等優(yōu)點(diǎn)。

4 設(shè)計(jì)案例

本文以實(shí)際項(xiàng)目需要的微波功率放大器為實(shí)例，討論了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮的參數(shù)。該放大器要求達(dá)到的指標(biāo)為：工作頻率400～470 MHz，工作電壓7.4 V，l dB壓縮點(diǎn)輸出功率37.8 dBm；功率增益15 dB左右，PAE大于64%。

表1 P波段微波功率計(jì)設(shè)計(jì)指標(biāo)

匹配電路為兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用了分立器件和分布參數(shù)元件混合使用的方法。這種匹配電路具有精度高、調(diào)試方便、體積小等特點(diǎn)。該匹配電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。按照以上設(shè)計(jì)思路，通過(guò)產(chǎn)品電路的調(diào)試，輸入功率23 dBm，輸出功率38.23 dBm（6.65 W），效率69.9%。最終產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，結(jié)果如圖4所示。

圖3 匹配電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 最終產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文選用納能科技有限公司的硅基N溝道LDMOS晶體管NESD-L0004作為前級(jí)推動(dòng)，NESD-L0009為末級(jí)功率放大器，通過(guò)選擇功率放大器工作在甲乙類工作狀態(tài)，精心設(shè)計(jì)匹配電路，再通過(guò)產(chǎn)品調(diào)試和測(cè)試，最終設(shè)計(jì)出輸出功率38.23 dBm、增益15 dB、效率69.9%的功率放大器，該功率放大器具有輸出功率穩(wěn)定、增益平坦度小、線性度高、可靠性高等特點(diǎn)。

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