UHF宽带线性功率放大器设计

现代雷达ModernRadar

Vo.l28 No.10October2006

79

天馈伺系统

UHF宽带线性功率放大器设计

张晓发,王 超,袁乃昌,万志坤

1

1

1

2

*

(1.国防科技大学电子科学与工程学院, 长沙410073; 2.江南遥感研究所, 上海200436)

【摘要】 针对电磁环境模拟器应用设计了一个全固态UHF波段多级宽带线性高功率放大器。驱动放大器工作在A类,末级放大器以三个AB类功放模块频域分段覆盖工作频段,通过控制PIN开关切换。末级输出接低通滤波器改善谐波。实测从400MHz~1250MHz,功放的1dB压缩点功率为25W(44dBm),二次谐波低于-40dBc,输出功率在38dBm时双音测试三阶交调(IM3)优于-44dBc。

【关键词】 超高频;功率放大器;宽带;线性中图分类号:TN955 文献标识码:A

DesignofaUHFBroadbandLinearPowerAmplifier

ZHANGXiao-fa,WANGChao,YUANNa-ichang,WANZh-ikun

1

1

1

2

(1.SchoolofElectronicScienceandTechnology,NUDT, Changsha410073,China)

(2.JiangnanRemoteSensingInstitute, Shanghai200436,China)

【Abstract】

Amult-istageUHFbroadbandlinearhighpoweramplifier(PA)isdesignedfortheapplicationasanelectro-magneticenvironmentsimulator.Thedriveamplifieroperatesinclass-A.Theoutputamplifieriscomposedofthreeclass-ABam-plifierswhichcoverthewholebandbysegmentandthesegmentscanbeswitchedbyPINswitchs.Themeasuredresultshowsthe1dBcompressionpointofthePAisabout44dBm(25W),the2ndharmonicisbelow-40dBandthe3rdorderintermodulationdistortion(IM3)isbetterthan-44dBc(2-tonetestat38dBmoutput)inthewholebandfrom400MHzto1250MHz.

【Keywords】 UHF;poweramplifier;broadband;linearity

0 引 言

电磁环境模拟器是大型电子设备外场测试装置,为电子设备外场测试提供准确、复杂的空间通信信号电磁环境。电磁环境模拟器需要模拟宽带信号和多载波信号,因而对发射机的功率放大器的工作带宽、输出功率、非线性特性等指标都有很严格的要求。特别是功放的交调产物,由于不能用滤波器滤除,对发射机输出频谱会有严重影响。

微波功率放大器设计关键在于其输入输出匹配电路。功放匹配电路的设计可以采用近似线性设计的动态阻抗匹配、大信号s参数方法仿真平衡法等非线性方法仿真

[2]

[1]

响,其中最主要的是驱动放大器和末级功率放大器。驱

动放大器选用砷化镓场效应管(GaAsFET)作为放大管,采用s参数方法近似设计。末级功率放大器选用增强型LDMOS大功率场效应管作为放大管,利用管子的非线性模型,采用谐波平衡法仿真。两级放大器均用通用微波CAD软件进行整体电路优化设计。

1 功放系统设计

电磁环境模拟器对功率放大器的主要指标要求如下:工作频带:400MHz~1250MHz,瞬时带宽>60MHz;输入功率-10dBm;1dB压缩点输出功率P1dB>25W(44dBm),二次谐波<-40dBc;输出功率为38dBm(P1dB回退6dB)时的三阶交调(IM3)<-40dBc。1.1 功放组成及工作原理

线性功放设计的关键在于其交调指标。为分析三阶交调特性,忽略放大器的记忆性,则其传输特性可用3阶泰勒公式近似

[2-3]

,也可以用谐波

。设计宽带线性功率放

大器时,必须在放大器的带宽、输出功率和非线性等指标之间折中,这种情况下利用器件的非线性模型,采用非线性的方法仿真计算才容易达到理想效果。

本文针对电磁环境模拟器应用设计了一个宽带高线性功率放大系统。功放的各部件都对输出的非线性有影

收稿日期:2006-06-22 修订日期:2006-09-17*80

2

现代雷达

3

28卷

Vout(t)=K1〔vin(t)〕+K2〔vin(t)〕+K3〔vin(t)〕

(1)

式中:Vout(t)为功放的输出电压;vin(t)为功放的输入电压。当输入为双音信号,即vin=A1cosX1t+A2cosX2t时,除了放大的信号的频率分量X1和X2,放大器还将产生落在频带内三阶交调分量2X1-X2和2X2-X1,令A1=A2=A,代入式(1),可计算得

3K32

IM3=A4K1

图1 功放系统组成框图

(2)

式中IM3即三阶交调。三阶交调分量一般无法用滤波器滤掉,必须通过选择合适的放大器件和设计适当的匹配电路。由式(2)可以看出,功放的输入功率增加3dB,其三阶交调则变坏6dB。这个关系可用来推算器件手册给出的参数是否满足设计要求。

根据总体指标要求,功放的总增益为54dB。在UHF波段一般的25W功放单级增益为15dB~20dB,所以必须多级放大级联。级联放大器的推动级对最后输出的三阶交调的贡献可按下式计算

dIM3(dBc)=10lg1+10[3]

M3(final)-IIM3(driver)201.2 驱动放大器设计

驱动放大器级放大器首先要有足够的带宽、增益和输出功率以驱动末级功放,同时还要有足够高的线性度不至于对系统的交调、谐波产生影响。由式(4),为使驱动级对总体的交调指标影响小于1dB,在输出回退6dB的测试条件下,其IM3应小于-53dBc。主要采取了两种措施保证其线性度:1)驱动放大工作在A类。A类放大器的线性度最好,不会引入大的失真。同时工作在A类的功率场效应管一般输入输出阻抗Q值较低,易于宽带匹配;2)选用输出功率大于所需功率的高线性GaAs功率放大管采取冗余设计。驱动放大的增益应为40dB,输出功率1W。因而设计成三级放大器,前两级放大管选用HP公司的1WGaAsFET,第三级选用5WGaAsFET。放大器的匹配电路采用微带线和高Q值陶瓷电容的半集总电路形式,前两级仿真用s参数近似GaAsFET的特性,第三级输出采用了负载线的近似设计方法

[2]

(3)

式中:dIM3是由于驱动放大器的IM3引入的功放输出I3的变化量;IMM3(driver)和IM3(final)分别表示驱

动放大器和末级放大器的IM3(dBc)。由式(3)不难得出

IM3(driver)=IM3(final)-20lg〔10dIM3

10

-1〕(4)

,然后在

实验中调整输出匹配电路。实际测得输出24dBm时,驱动放大器的IM3小于-60dBc,基本不影响系统

的输出频谱。

1.3 末级功率放大器设计

末级功放是设计重点。末级功放采用谐波平衡法仿真计算。谐波平衡法是目前计算微波非线性电路应用最广泛的方法。其计算原理是:将电路划分成线性网络和若干非线性网络,各网络之间通过端口相联接。线性网络在时域求解,非线性网络根据其中非线性器件的物理特性计算其端口的电压、电流,最后代入各端口参数关系的方程组求解电路特性。大多通用的微波电路CAD软件都集成了谐波平衡法仿真器,可以用来对电路的交调、谐波特性直接仿真、优化。

末级功放工作在AB类。利用式(2)的关系,根据功放的指标和工作频带,Motorola公司的LDMOS大功率场效应管MRF9060和MRF284满足使用要求。工作频率较低的两个功放用MRF9060,工作频率高的功放选用MRF284,器件的工作频率高于功放所要求的式(4)可用来计算多级功率放大器各级的交调指标,

综合设计各级放大器。

要在400MHz~1250MHz内用一个功放管实现高线性功放非常不容易,根据系统瞬时工作带宽60MHz的要求,末级功放由分别工作在400MHz~600MHz,540MHz~860MHz,800MHz~1250MHz的三个功放并联组成,相邻放大器相互覆盖60MHz,可由控制计算机控制依据系统工作的频率控制单刀三掷开关实时切换,这样可以在不影响使用的情况下降低设计的难度,系统原理如图1所示。功放采用模块化设计,使调试简单,驱动放大器和末级功放之间用隔离器减少级间失配影响。

控制模块接收控制计算机的指令给功放加电,选择不同的末级功放,并对功放进行过压、过流及温度保护。低通滤波器、控制模块和电源模块的具体设计这里不再赘述。驱动放大器、末级功放和PIN开关是影响功放线性指标的关键部件,下面分别介绍。

第10期张晓发,等:UHF宽带线性功率放大器设计

81

工作频带,可以使宽带设计容易。Motorola公司提供了功放管的非线性XML模型,可以在商用软件的谐波平衡仿真器中调用。

在UHF波段匹配电路若完全采用微带线和并联支节,会使电路面积过于庞大,若用集总的LC网络匹

配,电感的寄生参量影响到仿真的准确度,并使调试繁琐。这里采用微带线和并联电容的混合网络设计功放的输入输出匹配电路,仿真电路如图2所示,匹配电路中采用了渐变微带线改善带宽特性。整个电路的参数进行了优化设计,电路的工作点也可以在仿真中调整。

图2 末级功放仿真电路图

实际制作的匹配电路用高Q值电容作匹配元件,由于放大管个体之间参数有一定差异,在敏感的位置用高Q值电容和容值小的可调电容并联,微调可调电容改善匹配。不仅是匹配电路,AB类功放的静态工作点也会对功放的交调特性有较大的影响。经测试,通过微调栅极电压偏置不同的静态漏极电流,可以改善功放的交调特性。实际制作的末级功放P1dB大于44dBm,输出38dBm时的双音测试IM3小于-45dBc。对比文献[4-5]给出的器件典型特性,所设计的放大器交调特性基本达到了放大管工作的最佳状态。1.4 开关设计

功放输出端的开关的设计有以下要求:(1)端口驻波、插入损耗小,不至于引起大的功率衰减或反射过大的功率损坏功放;(2)不能引入不可忽略的非线性失真;(3)输入、输出端口有足够的隔离。由于开关使用半导体器件PIN二极管,理论上不可避免会引入非线性失[2,6]

真。PIN二极管非线性特性和器件及其工作状态有关。因而设计时一方面选用了功率足够大的PIN二极管,一方面要在实际中调试PIN二极管的控制电流和反向控制电压到最佳状态。为保证开关隔离足够,设计为二级开关,如图3所示。用一个串联和一个并联PIN二极管增加隔离度,在输入、输出和控制端采用了一定的微波和控制信号隔离措施。实际测试开关的指标可做到插损小于0.5dB,通道间隔离大于35dB。开关引入的交调不大于-55dBc,对系统指标影响可忽略。

图3 单刀三掷开关电路

2 功放设计结果

功放系统安装在一个标准机箱中,使用220V交

流电源。各模块统一由输出为+26V、+12V的开关电源模块供电,控制模块通过RS232串口与控制计算机通信,接收控制信号实时切换PIN开关。驱动放大器功耗较低,依靠机箱风扇风冷散热,末级放大器采用散热片和独立的风扇风冷散热提高工作可靠性。末级功放的P1dB功率测试曲线见图4,三阶交调和二次谐波测试曲线见图5。实测得P1dB功率44dBm,波动小于?1.5dB。输出功率在44dBm时测得

(下转第84页)

84

现代雷达

switchbasedontoggleswitch[J].2003,39(8):668-670.

28卷

ElectronicsLetters,

成。(感谢信息产业部第十三研究所十八专业部吕

苗、李倩对本课题工作的大力支持!)

参 考 文 献

[1] 金 铃.射频微机电系统技术现状[J].微波学报,2005

(6):58-65.

[2] PeterKe.Micromechanicalmembraneswitchesonsilicon

[J].IBMJ.Res.Develop.1979,23(4):376-385.[3] PeroulisD,PachecoSP.RFMEMSswitcheswithenhanced

power-handlingcapabilities[J].

IEEETransactionsonM-i

crowaveTheoryandTechniques,2004:59-68.

[4] WangY,LiZH.Alow-voltagelateralMEMSswitchwith

highRFperformance[J].MicroelectromechanicalSystems,2004,13(6):902-911.

[5] Goldsmith,EhmkeC,MalczewskiJ.Lifetimecharacteriza-tionofcapacitiveRFMEMSswitches[J].IEEEMTT-SIn-ternationa.l.MicrowaveSymposiumDigest,2001:227-230.

[6] Lih-TyngHwang,LiL,iDrye.Performanceevaluationof

RFMEMSpackages[J].ElectronicComponentsandTech-nologyConference,Proceedings,2002:1032-1036.[7]

SchauweckerB,

StrohmKM.

Single-Pole-Double-Throw

[8] FarinelliP,GiacomozziF.RF-MEMSSPDTswitchonsil-i

consubstrateforspaceapplications[J].SiliconMonolithicIntegratedCircuitsinRFSystems,DigestofPapers,2004:151-154.

[9] ReinesIC,GoldsmithCL.AlowlossRFMEMSKu-band

integratedswitchedfilterbank[J].

IEEEMicrowaveand

WirelessComponentsLetters,15(2):74-76.

[10] HamadEKI,NadimGE.AproposedSP3TwidebandRF

MEMSswitch[J].IEEEAntennasandPropagationSocietySymposium,2004:2839-2843.

[11] DaneshmandM,MansourRR.Fabricationandmodeling

ofanSP3TRFMEMSswitch[J].291-294.

IEEEAntennasand

2003,

1:

PropagationSocietyInternationalSymposium,

金 铃 女,1965年生,浙江宁波人,高级工程师。长期从事微波器与电路设计及电磁场计算研究。目前从事RFMEMS技术研究。

(上接第81页)

的二次谐波小于-40dBc,大多数频率点小于-50dBc。IM3测试用双音信号注入法,两个信号源通过功分器输入频率差为1MHz的双音信号,功放输出端接频谱仪测试交调特性,输出功率为38dBm时IM3优于-44dBc。

本文设计的功率放大器作为发射机已应用于某电磁环境模拟器中成功完成测试任务。

参 考 文 献

[1] 袁孝康,王仕璠,朱俊达.微带功率晶体管放大器[M].

北京:人民邮电出版社,1982.

[2] StephenAM.NonkinearmicrowaveandRFcircuits[M].

[s..l]:ArtechHouse,2003.[3]

PeterBK.High-linearityRFamplifierdesign[M].[s.l]:ArtechHouse.,2000.

[4] Motorola.MRF9060datasheet[K].MotorolaInc,2001.[5] Motorola.MRF284datasheet[K].MotorolaInc,2001.[6] RobertHC,GeraldH.DistortioninPINdiodecontrolcir-cuits[J].IEEETrans.onMTT,1987,35(5):492-451.

图4 功放P1dB功率测试曲线 图5 功放三阶交调和二次

谐波测试曲线(双音测试输出功率38dBm,双音频差1MHz)

张晓发 男,1978年生,国防科大电子科学与工程学院硕博连读研究生。主要研究方向为电子侦察接收机和微波电路设计。

王 超 男,1977年生,国防科大电子科学与工程学院博士研究生。主要研究方向为电子战仿真、导弹突防、DRFM技术等。

袁乃昌 男,1965年生,教授,博士生导师。研究方向为电子干扰与抗干扰、超宽带技术、微波光子晶体、目标电磁特性等。

3 结 语

本文设计了工作在400MHz~1250MHz频段内的高性能功率放大器。通过对各级放大器的优化设计和仔细调试,在整个工作频带内放大器的1dB压缩点输出功率25W(44dBm),谐波和交调特性满足要求。