250MHz固態(tài)功率放大器的設計

丁洪利 趙明華 肖誠成 鐘少鵬

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250MHz固態(tài)功率放大器的設計

丁洪利1,2趙明華1肖誠成1鐘少鵬1

1（中國科學院上海應用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）2（中國科學院大學 北京 100049）

固態(tài)功率源代替真空管功率源設備是目前射頻功率源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。本文介紹了一臺工作在250MHz的固態(tài)功率放大器模塊的設計過程。放大器模塊使用荷蘭恩智浦半導體公司生產的BLF578XR型號晶體管，并且采用傳輸線匹配和集總元件匹配相結合的方式進行設計。通過理論計算得到匹配網絡的初始值，并利用ADS (Advanced Design System)軟件對匹配電路進行仿真和優(yōu)化。測試結果表明，該功率放大器模塊輸出功率達到了850 W，功率增益達到了26 dB，功率附加效率達到60%。結果表明，該設計完全達到了系統(tǒng)設計要求的性能指標，并具有較強的實用性。

功率放大器，固態(tài)功率源，匹配網絡

是一個典型的頻率，在(, ERL)、質子醫(yī)療加速器等很多方面都有著廣泛的應用前景。幾年前，由于固態(tài)功率晶體管輸出功率的限制，微波功率源設備一直是以速調管等真空管器件為主。固態(tài)功率放大器只能為真空管器件提供前端的功率驅動[1]。隨著橫向擴散金屬氧化物半導體(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor, LDMOS)等晶體管技術的不斷發(fā)展，許多功率晶體管在10?500 MHz頻率上單管輸出功率已經達到百瓦甚至千瓦量級[2]。因此固態(tài)功率放大器在甚高頻(Very High Frequency, VHF)和特高頻(Ultra-high Frequency, UHF)的頻段上替代真空管放大器在加速器上的應用逐漸成為 可能。

比起真空管器件，固態(tài)功率放大器有很多優(yōu)點，例如便于生產和安裝、使用壽命長、工作電壓低、較低的運行損耗和易于維護等[3]?；谶@些優(yōu)點，國內外很多加速器實驗室都已經將固態(tài)功率放大器技術應用到他們的實驗當中。例如法國的SOLEIL光源使用一臺工作在352 MHz、輸出功率為35 kW的固態(tài)功率放大器為增強器腔體提供功率，4臺工作在352 MHz、輸出功率為180 kW的固態(tài)功率放大器為儲能環(huán)的超導腔提供功率[4]。印度的巴巴原子研究中心(Bhabha Atomic Research Center)，研制了一臺輸出功率為3kW、工作頻率在325 MHz的固態(tài)射頻功率放大器為一個200 MeV加速器的單輻射頻諧振器提供功率[5]。瑞士保羅謝爾研究所(Paul Scherrer Institute)為瑞士光源設計并研發(fā)了一臺工作在500 MHz、輸出功率為4 kW的固態(tài)射頻功率放大器為瑞士光源的增強器提供功率[6]。

本文介紹一臺工作于250 MHz的固態(tài)射頻高功率放大器模塊的設計過程和實驗結果。該模塊將用于組成一個100 kW固態(tài)功率源為ERL電子槍提供功率。在放大器模塊的設計過程中，通過分析阻抗匹配網絡結構的方法，設計了放大器的輸入輸出阻抗匹配網絡。并利用公式初步確定匹配網絡的元件參數(shù)，使用ADS軟件的仿真模擬功能對其進行仿真分析，最終將實驗測試結果與仿真結果進行了 比較。

1 功率放大器的設計指標

單個固態(tài)功率放大器模塊的性能影響整個固態(tài)功率源的性能。其輸出功率的大小決定固態(tài)功率源的模塊數(shù)量和體積[7]。為滿足ERL電子槍的要求，我們目的是設計并制造一個工作頻率在250MHz、輸出功率為850 W、功率附加效益大于60%、功率增益至少為24 dB的固態(tài)功率放大器模塊。

2 功率放大器模塊的設計

選擇恩智浦半導體公司生產的BLF578XR型號LDMOS晶體管作為設計芯片。該晶體管由兩個處于推挽結構的子晶體管封裝而成。在恩智浦半導體公司的官網上可以找到BLF578XR晶體管的仿真模型。將其導入ADS軟件中，對其進行仿真模擬[8]。通過直流仿真將漏極電壓設置在50 V處，柵極電壓設置在2.1 V處，此時晶體管的靜態(tài)電流為0.88 A，晶體管處于AB類工作模式。

為了讓固態(tài)功率放大器的輸出功率最大化，信號源和負載與晶體管之間需要增加匹配網絡實現(xiàn)共軛匹配，以使源傳輸?shù)截撦d實現(xiàn)最大功率。共軛匹配時，輸出功率的最大值為[9]：

使用ADS軟件的阻抗牽引模塊進行仿真計算，可以得到晶體管的輸入阻抗和輸出阻抗的值。選擇輸入阻抗為(0.13?j0.8Ω和輸出阻抗為(3.0? j1.3) Ω的值來設計晶體管輸入和輸出端的阻抗匹配網絡。

由于BLF578XR晶體管的兩個子晶體管處于推挽結構，所以在匹配網絡中必須包含平衡不平衡轉換器，俗稱巴倫。1:1同軸波導巴倫可以將輸入功率等分，輸出信號相位相差180°，匹配阻抗從50 Ω降低到25 Ω。

匹配網絡結構的設計使用了微帶線與集總元件混合的方式。放大器阻抗匹配的結構圖如圖1所示，它可以看作是一個四端口網絡。由于巴倫的存在，從兩個輸入端口進入網絡的信號相位相差180°，屬于奇模方式輸入。在匹配網絡的對稱線上，電壓為零，電流虛短。該四端口網絡結構可以分解成兩個二端口網絡。每個二端口網絡是由幾個L型網絡串聯(lián)而成。

圖1 匹配網絡示意圖Fig.1 Schematic diagram of the matching network.

一個由串聯(lián)微帶線和并聯(lián)電容組成的L型網絡可使用公式：

式中：為微帶線的電長度；0為微帶線的特征阻抗；為并聯(lián)電容。將任意電阻1共軛匹配到任意電阻2上[10]。通過式(2)?(4)，可以算出每個L型網絡中元件的初始參數(shù)。輸入和輸出阻抗匹配網絡初步設計完成之后，使用ADS軟件對其進行仿真和優(yōu)化。諧波平衡仿真法可以仿真得到功率放大器的輸出功率、功率增益和功率附加效率。放大器模塊的仿真結果如圖2所示。

直線電機氣隙在線監(jiān)測裝置在廣州地鐵5、6號線的投入使用，極大地提高了直線電機列車的運用安全水平，有效地預防了直線電機運行中電機與感應板發(fā)生刮擦事件，提高了地鐵系統(tǒng)運行的可靠性和安全性，為公眾提供了更滿意的交通服務，達到了系統(tǒng)建設預期的技術、經濟及社會效益。在系統(tǒng)投入運行后，直線電機氣隙在線監(jiān)測系統(tǒng)多次有效檢測到氣隙異常，并多次有效預警電機下沉異常，如表1所示。根據直線電機氣隙在線監(jiān)測系統(tǒng)的報警和預警，檢修單位及時處理了異常情況，防止了后續(xù)可能性安全事故的發(fā)生，挽回了后續(xù)的經濟損失。

從圖2中看到，固態(tài)功率放大器模塊一分貝壓縮點處，功率增益(p)可以達到28 dB，輸出功率大于60 dB，功率附加效率(Power Added Efficiency, PAE)為60%。

固態(tài)功率放大器的設計如圖3所示。在圖3中電容2?6和微帶線3、4組成了輸入阻抗匹配網絡。同時15?23和微帶線5、6組成了輸出匹配網絡。電路圖中由輸入端的同軸線1和微帶線1、2與輸出端的同軸線2微帶線7、8分別組成了1:1的同軸線巴倫。在漏極直流偏置電路中，一對470 μF的電容對高頻信號起到短路的作用，可以防止射頻信號通過直流偏置電路泄漏到直流電源中。在柵極直流偏置網絡中，增加了旁路電容7?10，用來抑制射頻噪聲。在輸入匹配網絡中，添加了一個大阻值的電阻用來降低輸入匹配網絡的值，從而增加放大器的穩(wěn)定性。在電路的輸出端，增加了一個環(huán)形器，用來保護功率晶體管，防止其被因意外失配產生的反射功率所燒毀。在環(huán)形器的第三個端口，接有一個50 Ω的負載用來消耗這些不需要的反射功率。

圖2 功率放大器模塊性能的仿真結果 Fig.2 Simulated performance parameters of the power amplifier.

圖3 放大器模塊示意圖Fig.3 Schematic of the amplifier module.

3 功率放大器模塊的性能測試實驗

本設計使用的基板是Rogers公司的RT5880型號的低耗微波基板。該基板的厚度為0.254 mm，介電常數(shù)為2.2。功率放大器模塊的電路版圖照片如圖4所示。

由于功率放大器是工作在連續(xù)波狀態(tài)下，并且放大器模塊擁有850 W的輸出功率和大于60%的工作效率。意味著放大器模塊在工作時，至少會產生560 W的熱耗散。為了使放大器模塊能夠正常地工作，需要一個水冷系統(tǒng)對其進行冷卻。水冷系統(tǒng)如圖5所示，由一個擁有水槽的金屬散熱器組成。固態(tài)功率放大器模塊會附連在散熱器上。當固態(tài)功率放大器模塊工作時，金屬散熱器的水槽將會通入循環(huán)的冷卻水，可以有效地降低功率放大器的溫度，保證其正常工作。

圖4 放大器模塊的電路版圖照片F(xiàn)ig.4 Photograph of the power module’ circuit layout.

功率放大器的參數(shù)測試平臺如圖6所示。測量平臺是由一個信號發(fā)生器、一個直流供給、一個功率計、一個前級放大器和一個功率衰減器組成。信號發(fā)生器是美國安捷倫科技(Agilent Technologies)公司生產的E8247C型PSG CW信號發(fā)生器，頻率寬度從250kHz?20 GHz。功率計是安捷倫公司的E4416A型號EPM-P 系列功率計。

固態(tài)功率放大器的參數(shù)測試結果如圖7所示。從圖7中可以看到，在1 dB壓縮點處，功率放大器的增益為25 dB，輸出功率為870 W，功率附加效率為60%。放大器模塊實際測試結果與仿真時的數(shù)據相比，除了功率附加效益，其他各項都略有降低。這是由于在放大器模塊制造的過程中不可避免地引入的寄生參數(shù)導致匹配度降低的結果。放大器模塊的性能測試實驗結果表明，該放大器模塊滿足設計要求。

圖6 放大器測試平臺Fig.6 Measurement setup of the amplifier.

圖7 功率放大器性能測試Fig.7 Measured performance parameters of power amplifier.

4 結語

設計并制造了一個工作在250 MHz、輸出功率達到59.4 dBm、功率增益為25 dB的固態(tài)功率放大器模塊，為未來100 kW固態(tài)功率源的制造提供寶貴的經驗，并且有重要的參考價值。設計過程中，通過分析阻抗匹配網絡結構的方法，利用公式計算確定了匹配阻抗網絡的初始參數(shù)，在ADS軟件的輔助下完成了對放大器模塊的設計。經過完整的參數(shù)性能測量，功率放大器模塊的各項指標均達到了設計要求。結果證明了本文使用的設計方法是正確且有效的，為未來大規(guī)模設計并制造固態(tài)功率放大器模塊奠定了基礎，是一次有意義的嘗試。

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中國科學院知識創(chuàng)新工程重大項目(No.455011061)資助

Supported by the Knowledge Innovation Project of Chinese Academy of Sciences (No.455011061)

Design of a 250-MHz solid-state power amplifier

DING Hongli1,2ZHAO MinghuaXIAO Chengcheng1ZHONG Shaopeng1

, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: The development trend of radio frequency power source systems is to replace vacuum power source devices with solid-state power amplifiers. Purpose: This paper introduces the design process of a solid-state power amplifier operating at a frequency of 250 MHz. Methods: A BLF578XR transistor manufactured by NXP semiconductor has been used in the amplifier model. The design of matching network adopts the method of combining transmission lines and lumped elements.The designed parameters were all achieved in the power amplifier module, which can be further applied in scientific use.

Power amplifier, Solid-state power source, Matching network

DING Hongli, male, born in 1987, graduated from Hefei University of Technology in 2010, doctor student, major in nuclear technology and application

ZHAO Minghua, E-mail: zhaomh@sinap.ac.cn

TL503.5

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.060401

丁洪利，男，1987年出生，2010年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學，現(xiàn)為博士研究生，研究領域為核技術及應用

趙明華，E-mail: zhaomh@sinap.ac.cn

2016-01-27，

2016-04-12