800 MHz~1250 MHz 70 W高效功率放大模塊設計

　　劉傳洋，鄭?燾（中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江?嘉興?100048）

　　摘?要：主要介紹了一款頻段為800 MHz~1250 MHz，輸出功率大于70 W高效小型化模塊的設計，著(zhù)重討論SiC單管電路的匹配電路的仿真與設計。根據仿真電路設計版圖，加工安裝模塊，實(shí)測在800 MHz~1250 MHz頻段上飽和功率輸出大于70 W，增益大于7.5 dB，效率大于40%。

　　關(guān)鍵詞：SiC功率管；阻抗匹配；ADS仿真

　　作者簡(jiǎn)介劉傳洋（1977—），男，高級工程師，畢業(yè)于吉林大學(xué)通信工程專(zhuān)業(yè)，從事功率合成技術(shù)研究。

　　鄭 燾（1981—），男，高級工程師，畢業(yè)于成都電子科技大學(xué)電磁場(chǎng)與微波專(zhuān)業(yè)，從事功率合成技術(shù)研究。

　　在現代電子裝備系統中，對功率放大器提出了更高的要求，要求功率放大器提供更大的功率等級，更高的工作效率。作為系統中的單元功放，其效率的高低，體積的大小，對系統有著(zhù)直接的影響。功放模塊作為功率放大器的基本單元，它的效率、體積決定了整機的效率和體積。

　　在L頻段，現在最常用的功率管主要有雙極性晶體管和場(chǎng)效應管，雙極性晶體管的效率比較低，增益也不夠高。我們就選用了一種采用SiC材料的場(chǎng)效應功率管。相對于硅和砷化鎵等材料，SiC具有更高的擊穿電壓，更加良好的導熱性，還有較高的電子遷移率。因此SiC場(chǎng)效應管能提供較高的飽和功率和更寬的帶寬。

　　為解決小型化高效功率模塊設計的問(wèn)題，本文提供了一種設計思路。以SiC材料的CRF-24060為例，設計了800 MHz~1 250 MHz，功率等級70瓦的功率放大器模塊，其工作效率可以達到40%以上 ^[1-3] 。

　　1 設計思路

　　隨著(zhù)計算機輔助設計軟件的推廣應用，在射頻微波電路設計領(lǐng)域，本文利用ADS軟件對CRF-24060的進(jìn)行設計。

　　用ADS設計功放電路，最理想的情況是器件生產(chǎn)商提供大信號情況下的器件模型。這樣不僅可以進(jìn)行匹配電路的優(yōu)化（如輸出功率和增益），還能用諧波平衡法進(jìn)行電路的非線(xiàn)性仿真，如N次諧波分量、三階互調等。本文中的CRF-24060值提供了功放管的小信號模型，設計思路就是根據功放管的小信號模型進(jìn)行輸入輸出匹配電路的設計，保證輸入輸出有良好的匹配。

　　下面，通過(guò)一個(gè)800 MHz~1 250 MHz 50 W功放模塊的設計全過(guò)程，講述如何用ADS軟件來(lái)進(jìn)行高效功放的設計。

　　2 功放模塊的設計

　　2.1 功放管的選型

　　作為一種新型的半導體材料，SiC以其優(yōu)良的物理化學(xué)特性和電特性成為制造短波長(cháng)光電子器件、高溫器件、抗輻照器件和大功率／高額電子器件最重要的半導體材料。特別是在極端條件和惡劣條件下應用時(shí)，SiC器件的特性遠遠超過(guò)了Si器件和GaAs器件。

　　本文選用了一款SiC MESFET功放器件CRF-24060作為設計對象，主要參數如圖1所示。此功率管推薦工作頻段在800 MHz~1 600 MHz，本文對此管子進(jìn)行擴頻使用。通過(guò)產(chǎn)品資料可以看到在推薦頻段內，增益大于10 dB，輸出功率大于48 dBm。

　　2.2 匹配電路仿真設計

　　圖3是對其建立了小信號電路仿真拓撲模型，利用CRF-24060的小信號模型，在A(yíng)DS軟件中對其輸入輸出電路分別進(jìn)行匹配，設置優(yōu)化參數，設置優(yōu)化目標，保證其輸入輸出電路在800 MHz~1 250 MHz頻段內有著(zhù)最優(yōu)的匹配。

　　本文將仿真頻段往下拓展到700 MHz，保證其在低頻段也能滿(mǎn)足指標要求。優(yōu)化后S21在10 dB以上，S22小于-11 dB，滿(mǎn)足本文功放模塊設計要求。仿真結果圖如圖3所示。

　　3 功放模塊的實(shí)測

　　如圖4所示，根據仿真結果，生成輸入輸出的印制板圖，在柵極以及漏極分別加上供電電路。

　　按照該匹配輸入輸出加工電路板，進(jìn)行安裝測試，功率放大模塊的實(shí)物圖如圖5所示。

　　圖6所示的是功放模塊的實(shí)測飽和功率、增益、效率實(shí)測圖。從圖上可以看到該模塊飽和功率輸出大于70W，增益大于7.5 dB，效率大于40%。

　　4 結論

　　功率模塊的小型、高效性對功放的小型化和高效起著(zhù)決定性的因素。功率放大器的設計方法有很多，除了本文介紹的外，還有基于大信號模型的仿真設計。不同設計方法之間不存在絕對的優(yōu)與差，主要還是根據設計師的喜好，以及廠(chǎng)家提供的模型類(lèi)型來(lái)決定設計方法。本文介紹了一種基于SiC材料的功率放大管的設計方法，對其輸入輸出電路分別進(jìn)行匹配，加工并裝配了功率放大模塊，實(shí)測結果表明該功率放大模塊在（800~1 250）MHz頻段內輸出功率大于70 W，效率大于40%。此種功率放大模塊在有源相控陣系統具有廣闊的應用前景。

　　參考文獻

　　[1] 電子科技大學(xué) 微波集成電路設計

　　[2] 劉學(xué)觀(guān),郭輝萍.微波技術(shù)與天線(xiàn)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社.

　　[3] 王寶志.微波技術(shù)與工程天線(xiàn)[M].北京：人民郵電出版.

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第12期第44頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。