S波段固态功率放大器的仿真设计要点

1、S波段固态功率放大器的仿真设计张利飞1汪海勇2(1.杭州电子科技大学天线与微波所，浙江杭州310018; 2中国电子科技集团公 司第五十研究所 上海200063摘要:采用功放管合成方案，设计成功了一种S频段连 续波180W固态功放经仿真在2.0-2.3GHZ频段,功放连续波输 出功率1dB压缩点 大于50.5dBm (180W，增益大约为14.7dBm，功率附加效率大于 45%。关键词:固态功率放大器；匹配；功率合成;增益平坦度Simulati on and Desig n of S-Ba ndSolid State Power AmplifierZha ng Lifei1, Wang Hai

2、yo ng 2(1.1 nstitute of Antenna and Microwave, Han gzhou Dianzi Uni versity, Han gzhou Zhejiang 310018, China;2.Chi na Electro nics Tech no logy Group Corporatio n NO.50 In stitute, Sha nghai 200063, Chi naAbstract:A n S-Ba nd CW 180W solid state power amplifier(SSPA isprese nted,which adopts the me

3、thod of comb ining power.The output power at P1dB of this amplifier is 50.5dBm(180W at 2.0-2.3GHz,and the gain is about 14.7dB.The other key feature of this SSPA is high power con versi on efficie ncy(above 45%.Keywords:SSPA; Matchi ng; Power comb ine; Gai n flatte n1引言微波功率放大器作为发射机单元中至关重要 的部件在许多微波电子

4、设备和系统中广泛应用，如现代无线通信、卫星收发设备、雷达、遥测遥控系统、电子对抗等。传统的大功率放大器用真空管来实现,随着半导体器件的不断发展，固态器件的 优势不断明显,微波固态功率放大器具有体积小、工 作电压低、稳定性高、良好的 可重复性等优点在许 多领域倍受青睐。本文研究的是 S波段的大功率固 态放大器, 输出功率是180W的连续波，工作频率 为2.0GHz到2.3GHz，功率增益大于13dB，增 益平坦度小于+/-1.0dB, 1 dB增益压缩点处的输出功率 为50dBm，饱和输出功率大 于53.4dBm功率附加效率大于48%。2匹配电路的设计由于功率放大器工作于非线性，小信号放大器的网

5、路设计方法不再适用。本文 要研究的是180W大功率放大器，放大器的输入输出阻抗随着频率和输入功率的变 化而变化，通常有三种分析方法来分 析匹配电路：动态阻抗法、大信号S参数法和负 载牵引法。动态阻抗法它要求大信号工作状态下的动态输入、输出阻抗（也称最佳负载阻 抗。动态阻抗 测试原理是，用调配器将功率管调配到最大功率输 出状态，然后分别 测出从信号源向功率管输入端看去、从负载向输出端看去的阻抗，其阻抗值即为动 态输入、动态输出阻抗；大信号S参数可以进行功 率放大器的功率增益、稳定性的 分析和增益、平坦 度的设计。同时，利用大信号S参数设计功率放大 器时,除了应 根据输出功率的大小选择负载阻抗外.

6、还可以根据绝对稳定条件和潜在不稳定条件 两种情况分别进行考虑。大信号 S参数的测量比较困 难，通常采用双信号法或大电 流直流拟合法来测大信号S参数;负载牵引法它要求给出对应各种不同的输出功 率、功率增益和效率等参数的不同数据，由计算机进行综合设计。其设计系统较为 复杂。通常对于大功率晶体管而言，厂家多给出功率晶体管道动态输入、输出阻抗 故匹配网络设计也采用动态阻抗法来进行设计，实验也采用动态阻抗法来设计匹配 网络。接下来就以此为依据来设计匹配电路，本设计中单片功率放大管给出的是动 态输入输出阻抗，其值为复数。阻抗匹配网络设计的核 心思想是将频率范围内的输 入输出阻抗匹配到50?阻抗附近,在阻抗

7、园图上，即将输入输出阻抗匹配1135到阻抗圆图的中心附近。如果对于串联功放管设计 功率放大器的话,级间匹配 也是很重要的，一般是 实现共轭匹配，并且在实际情况可以采用多种方法 比较，选择 比较合适的匹配电路来设计。3功率合成技术微波射频功率放大器由于工艺，设计线性度、工作状态的限制，单管的输出功率 很难满足设计要求，因此必须采用多管并联的方式来合成功率满足设计要求。功率 合成器有两路合成器、多路合成器、链式合成器之分。一般功率合成采用两路合 成器,常用于功率合成的两路功分器有：WILKSON功分器、3dB正交功率合成 器、反相推挽功率合成器。影响合路器合成效率的主要因素包括合路器输入、输出阻抗

8、匹配状况(输入输出电压驻波系数、幅度、相位不平衡度、插入损耗，以及 各路之间的相互隔离度等。功率合成器将各模块射频输出电压相互叠加，并把所有模块输出功率的总和减去合成器的损失传送到单个端口。可以用许多功率合成-分 配结构,并且它们都显示出某些不同的特性，通常,功率合成器的要求如下：(1合成器应具有低的插入损失，使得发射机的功率输出和效率不受影响；(2合成器在端口间应具有射频隔离，使得故障模块不会影响剩余工作模块的负 载阻抗或功率合成效率；(3合成器应能给放大器模块提供一个可控的 降低；射频阻抗，使得放大器的性能不致(4合成器的可靠性应远高于其他发射组件的可靠性;(5功率合成器终端负载承受功耗的

9、能力应足以适应任一种放大器故障组合装也应给放大器模块与合成器之(6合成器的机械圭寸装应便于模块的维修。圭寸 间提供短、等相位 和低插入损失的互连。本设计采用的为3dB正交功率合成，平衡放大 器由两个相同的放大器 A和B通过两个3dB电桥并联连接，其中输入、输出电桥分别用作功率分配器和功率合成器。3dB电桥的直通端口与耦合端口间 的耦合度为3dB，相位差为90度。因此，在 平衡放大器的输入、输出端放大器A和B的反射信号相位相 差180度而相互抵 消，所以理想平衡放大器的输入、输出驻波比（VSWR等于1。由此可知，平衡放大器的驻波系数（VSWR仅由3dB 90度电桥的性能决 定，与分立放大器性能无

10、关。 放大器A和B的正向传 输信号在平衡放大器的输出端口相位相同，放大器A和B 的输出信号在输出电桥的输出端口同相相加。4散热和屏蔽盒的考虑一般微波功率放大器的功率附加效率较低（20% 40%,未转化成射频功率的直流功率部分在功率 管内部以热的形式散放出来，功率放大器正常工作 时，功率管的温 度会急剧升高。为了保证固态功率 放大器稳定可靠的工作，应将功率管自身的热量 及时排散掉,使芯片的温度保持在允许最高结温以下，这就要求具有较强的散热能 力。本文通过对功率管的法兰温度进行理论分析和计算，分析并得出放大器稳定工 作时能承受的最高管壳温度和法兰温度，从而结合实际进行功率放大器的散热设 计。功放屏

11、蔽盒主要起电屏蔽的作用，应满足一定的电磁兼容条件，尽量减小功放电 路的微波辐射信 号对整个电路的影响。通常把微带电路 （包括有源和 无源器件 放 入盒体中，工作在其截止频率以下，将会减小微波元件由于辐射信号造成的影响 （如 减小反馈、增益波动以及改善隔离度等。本文设计的S波段功率放大器，其工作 频率半波长约为5cm ,为避免盒体内产生波导传输效应，盒体的横向宽度设计为 5cm左右,并且根据实际电路结构把电源部分和射频部分用金属隔板隔开，射频部分腔体宽度约为2.5cm。根据实际器件尺寸在HFSS软件中对腔体尺寸进行仿真优 化，设计好的功放盒体的结构模型。5功率放大器的仿真本文利用Agile nt

12、 ADS软件对180W功放进行仿 真，仿真得到电路的大信号增 益特性如图1、图2所示输入36dBm功率信号，在2.02.3GHz频带范围内，输出 功率增益可达14.7dB。在2.052.25GHz频带范围内，增益起伏小于0.2dB。输入 输出的回波 损耗小于-23dB。电路的功率效率特性如图3所示，P1dB的频带范 围为1.942.3GHz ,输出功率 大于50dBm ,效率大于45%;电路的功率频率特性如图 4所示，在工作带2.02.3GHz 内，输入为36dBm时输出功率P1dB大于50.5dBm，功率频率曲线很平坦，达到了设 计要求；PA的Two-Tone交调特性如图5所示，第一载波频率

13、为2.13808GHz ,第二 载波频率为2.14192GHz,设计的PA Two-Tone在 平均输 出功率45dBm , IM3小 于-35dBc ,可以满足CDMA应用要求。PA的增益、效率1136与输出功率的特性如图6所示,所选的频率为2.14GHz，由图可知180W固态功率放大器的饱和输 出功率达53dBm,功率附加效率达60%。图1大信号条件下增益特性图2输入输出端的回波损耗图3输入输出功率及效率的特性图4输入功率为36dBm时的功率频率特性图5三阶交调特性图6功率增益效率特性6结论本文利用功率合成的技术设计出 S波段输出功 率180W的大功率放大器，并充 分的考虑了散热和屏蔽盒的设计，结合软件Agile nt ADS仿真设计出符合技术指标 的功率放大器，论文采用的3dB正交功率合成来实现功率合成，有损耗小、一致性好 等优点。并且用HFSS对屏蔽盒进行设计,使屏蔽盒 的设计比较简单。参考文献1 陈艳华，李朝晖，夏玮.ADS应用详解一-射频电路设计与坊真2 项钟,程诗叙.S频段800W固态功放的研制.3 梁晓芳.X波段固态功率放大器稳定性分析设计.4 蒋拥军，潘厚忠.S波段超