高线性度P波段功放组件的设计与实现

邓 畅，魏良桂

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

随着固态有源相控阵技术的迅速发展和在雷达、对抗系统中的广泛应用，T/R组件越来越成为整机系统设计师关注的焦点。固态有源相控阵阵面所需T/R组件的数量少则几十，多则上万，作为T/R组件的基础与核心，功放组件的体积、重量、性能、质量、研制成本、稳定性和可靠性等指标对T/R组件乃至整机系统的指标有着直接影响[1]。

针对整机系统的不同干扰样式需求，输出功率高线性度可调节输出、线性/饱和工作模式切换等功能尤为关键，因此，本文提出了一种线性可调的P波段功放组件的设计方法，采用大功率、高效率放大管芯和多级程控相结合，实现功放组件的高效饱和放大和高线性度可调节输出。

1 核心电路设计

1.1 功放组件工作原理

本文设计和实现的功放组件工作在P波段，工作带宽为100 MHz，技术指标要求当输入功率为-1～+1 dBm时，连续波输出功率不小于354 W(55.5 dBm)，功率效率不低于50%，且在连续波的工作方式下，输出功率以0.5 dB为步进回退60 dB，当输出功率回退值为0～30 dB时，衰减精度不大于±1 dB；当输出功率回退值为30～60 dB时，衰减精度不大于±2 dB。故功放组件由幅度控制模块、功放模块和数字控制模块组成，鉴于在高、低温下输出功率有所下降，留有0.2 dB功率增益余量，即功放组件(末级功放模块)的输出功率按照55.7 dBm(372 W)设计，总增益按照57 dB设计。功放组件工作原理框图如图1所示。

图1 功放组件工作原理框图

1.2 功放模块设计

在功率放大器的设计中，合理选型功率管是首要环节。功率管的主要技术指标要求为工作频带、1 dB压缩点输出功率、功率增益、功率效率、交调失真、谐波失真、输入/输出驻波比、稳定系数、寄生杂散等[2]。首先应考虑功率管的工作频带、输出功率和耐压，功率管的工作频带应在技术指标要求的工作频带内，功率管的最大额定输出功率应大于技术指标要求的输出功率，功率管的最大允许工作电流、最大耗散功率、最高允许结温和耐压均应留有一定余量。同时也应考虑功率管的可靠性、一致性以及抗疲劳、抗冲击等特性[3]。

目前，功率放大器的种类多种多样，包括BJT、GaAs、VDMOS、LDMOS等。相较于其它种类的晶体管，LDMOS具有输出功率大、工作脉宽宽、占空比高、功率增益高、功率效率高、成本低和工艺技术成熟的特点[4]。功放模块采用两级放大的形式，由推动级功放模块和末级功放模块组成，均选用LDMOS功率管电路形式。

1.2.1 末级功放模块设计

末级功率管是功放模块的核心，根据功放组件的技术指标要求，经多重比较，末级功放模块最终选用的是基于推挽电路结构的LDMOS功率管NC43313S-0304P190，该功率管工作在P波段，工作电压为+28 V，输出功率不小于230 W，功率增益不小于15 dB，漏极效率不小于55%。在连续波的测试条件下，相应工作频段的实测数据如表1所示，中心频率为f0(MHz)。

表1 末级LDMOS功率管实测数据

因单只功率管的输出功率有限，需选用2只功率管，输出功率经2只功率管进行功率合成。3 dB电桥是一种四端口网络，常用于信号的合路和分路、信号相位的改变以及功率的合成，通常由一耦合器来实现。微带电路有其自身无法克服的缺点，即从封装盒上表面到接地板的距离大于10倍介质基片厚度[5]，故难以实现体积小且结构紧凑的耦合器。带状线耦合器具有插入损耗低、方向性好、易于与其它电路级联或集成等优点，其中λ/4带状线耦合器在带状线耦合器的设计中已得到广泛的采用，通过改变λ/4带状线重叠部分的大小来调节耦合度。当单个λ/4带状线耦合器的2条微带线完全重叠实现最大耦合度时，较难满足3 dB的要求，故采用2个λ/4带状线耦合器级联来实现该3 dB电桥，如图2所示。当1为输入端口时，2为隔离端口，3为耦合端口，4为直通端口。经多重比较，3 dB电桥选用的是Yantel公司的3 dB 90°电桥HC0450L03，该电桥工作在P波段，插入损耗不大于0.3 dB，驻波比不大于1.2，隔离度不小于20 dB，承载功率为200 W，幅度不平衡不超过±0.3，相位不平衡为90°±3°。

图2 λ/4带状线耦合器级联

1.2.2 推动级功放模块设计

在末级功率管选定的前提下，为了满足功放链路的技术指标要求，推动级功放模块的输出功率应不小于41 dBm。经多重比较，推动级功放模块最终选用的是NXP公司的LDMOS功率管BLF571，该功率管工作在P波段，工作电压为+28 V，工作电流为960 mA，输出功率不小于42 dBm，功率增益不小于17 dB，漏极效率不小于60%。功放模块功率增益设计分配如图3所示。

图3 功放模块功率增益设计分配

1.3 幅度控制模块设计

通过数控衰减器调整功放模块的输入功率以达到调整输出功率的目的。因功放链路具有非线性和带内不平坦的特点，数控衰减器的可调范围应大于60 dB。幅度控制模块选用数控衰减器1(位数6 bit，可调范围0～31.5 dB)和数控衰减器2(位数5 bit，可调范围0～31 dB)进行级联。因输入功率有所波动，首先选用饱和放大器对其进行限幅，然后进入数控衰减器1，从而使得输出功率不受输入功率变化的影响。幅度控制模块选用“放大-衰减-放大-衰减”的电路结构，2级数控衰减器之间选用工作在线性状态的放大器进行隔离。当回退值不大于30 dB时，数控衰减器1工作，数控衰减器2不工作；当回退值大于30 dB时，数控衰减器1和2同时工作。

功放链路功率增益分配设计如图4所示。当射频输入为-1～+1 dBm时，射频输出功率为55.7 dBm(372 W)，满足连续波输出不小于354 W(55.5 dBm)的技术指标要求。功放组件各模块功耗设计值如表2所示。工作电压+28 V对应的工作电流为23.86 A，工作电压+8 V对应的工作电流为0.16 A，则功放组件的功耗为：28 V×23.86 A+8V×0.16 A=669.36 W，故功放组件的功率效率为：372 W÷669.36 W×100%=55.6%，满足功率效率不低于50%的技术指标要求。

图4 功放链路功率增益分配设计

表2 功放组件各模块功耗设计值

1.4 数字控制模块设计

数字控制模块由单片机和现场可编程门阵列(FPGA)组成，单片机的功能为采集温度传感器的温度，并向FPGA发送温度码；FPGA的功能为采集温度码以及外部输入的衰减码和频率码，调取内置校正表，对衰减码进行校正，并将校正后的衰减码输出至幅度控制模块，对数控衰减器进行控制，以达到输出功率线性可调的目的。

为了实现数控衰减器的快速响应，内置校正表的设计尤为关键。在不同的工作温度下，不同频率点的放大曲线不同，需测量功放组件在不同的工作温度下，不同频率点的衰减量和输出功率的对应关系，并将工作温度、频率点的衰减量和输出功率的对应关系植入校正表，形成三维矩阵表。因校正表容量巨大，FPGA的内部存储空间并不能够满足要求，故选用512 Mbit的FLASH。在功放组件上电前，将校正表存储在FLASH中，以便FPGA直接调取FLASH中的校正表。技术指标要求线性可调范围为60 dB，步进为0.5 dB，故将校正表划分为121块，每块以频率码和温度码为地址顺序排列，以便快速查询。单个衰减码的校正表示意图如图5所示，n为温度的数量，m为频率的数量。

图5 校正表示意图(单个衰减码)

2 研制结果与分析

功放模块PCB电路版图如图6所示，功放组件研制样件实物测试结果如图7、图8和表3所示，连续波输出功率不小于392 W，功率效率不低于58.6%，当输出功率回退值为0～30 dB时，衰减精度不大于±0.5 dB；当输出功率回退值为30～60 dB时，衰减精度不大于±0.5 dB，均满足技术指标要求。

3 结束语

本文设计并实现了一种工作在P波段的功放组件，详细介绍了其工作原理及功放模块、幅度控制模块和数字控制模块的设计方法及实现形式，对功放模块的LDMOS功率管和幅度控制模块的数控衰减器等进行了合理选型，并对研制样件实物进行了测试，其性能均满足技术指标要求。相较于传统的P波段功放组件，其输出功率不低于392 W，功率效率不低于58.6%，当输出功率回退值为0～60 dB时，衰减精度不大于±0.5 dB，可应用于低频固态有源相控阵雷达系统T/R组件，满足了其高辐射功率、低功耗和线性可调的需求。

图6 功放模块PCB电路版图

图7 输出功率测试结果

图8 功率效率测试结果

表3 输出功率线性可调范围测试结果