SiC寬帶功率放大器模塊設(shè)計(jì)分析
引言
隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展， 功率放大器已成為無(wú)線通信系統(tǒng)中一個(gè)不可或缺的部分, 特別是寬帶大功率產(chǎn)生技術(shù)已成為現(xiàn)代通信對(duì)抗的關(guān)鍵技術(shù)。作為第三代半導(dǎo)體材料碳化硅（ SiC） , 具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率、化學(xué)性能穩(wěn)定以及抗輻射等優(yōu)點(diǎn)， 特別適合制造高溫、高頻、高功率和抗輻射的功率器件。用寬禁帶半導(dǎo)體制成的高溫、高頻和大功率微波器件可以明顯改善雷達(dá)、電子對(duì)抗系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)等眾多電子信息系統(tǒng)的性能。已有文獻(xiàn)報(bào)道采用SiC 功率器件制作了寬帶脈沖功率放大器， 并進(jìn)行了性能測(cè)試和環(huán)境試驗(yàn)， 證實(shí)了SiC 功率器件可靠性較高、環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)等特點(diǎn)。
利用SiC 寬禁帶功率器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了寬帶高功率放大器， 工作頻率帶寬500~ 2 000 MHz, 輸出功率超過(guò)100 W, 通過(guò)對(duì)放大器進(jìn)行性能測(cè)試， 發(fā)現(xiàn)SiC寬禁帶功率器件具有工作頻帶寬的優(yōu)勢(shì)。測(cè)試結(jié)果表明利用該方法設(shè)計(jì)寬帶功率放大器是可行的， SiC 寬禁帶功率器件具有較寬的工作帶寬。
1 設(shè)計(jì)方案
SiC 寬禁帶功率器件具有高功率、寬頻帶和耐高溫的特點(diǎn)。CREE 公司生產(chǎn)的SiC 器件比較成熟，器件性能較好。因此， 選用了CREE 公司2 種商用功率器件， 其功率量級(jí)分別為10 W 和50 W, 其型號(hào)分別為CRF24010 和CRF24060, 性能指標(biāo)如表1所示。
表1 SiC 功率器件性能參數(shù)
該功率放大器模塊采用了2 組電源電壓分別為+ 12 V 和+ 48 V, 前級(jí)激勵(lì)功率采用GaAs 電路實(shí)現(xiàn)， 末級(jí)選用SiC 微波功率晶體管進(jìn)行功率放大。
根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求， 選用5 級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)增益和功率電平分配。前級(jí)GaAs 單元電路為2 級(jí)放大：
第1 級(jí)采用HE641D 集成功率放大器， 增益25 dB,輸出功率25 dBm, 第2 級(jí)采用FLL177ME 功率管， 增益8 dB, 輸出功率32. 5 dBm（ @f = 2. 3 GHz） ; SiC 單元電路采用3 級(jí)放大鏈路， 由GaAs 單元電路激勵(lì)信號(hào)經(jīng)第3 級(jí)CRF24010 的10 W 的SiC 放大器進(jìn)行放大， 再經(jīng)過(guò)第4 級(jí)CRF24060 SiC 放大器放大， 輸出的射頻能量經(jīng)過(guò)4 路功率分配器后分別推動(dòng)4 只50 W的SiC 放大器再次放大， 最后再由4 路功率合成器功率合成后得到大于100 W 的連續(xù)波功率。
研制的功率放大器模塊是為了滿足某工程需要。工作頻率：500~ 2000 MHz，連續(xù)波輸出功率：≥100 W, 總增益≥50 dB, 雜波抑制： ≤ - 60 dBc; 工作溫度：- 10~ + 50℃ 。
2 放大器優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟
放大器級(jí)設(shè)計(jì)要兼顧寬帶放大器和功率放大器2 個(gè)方面的設(shè)計(jì)要求： 寬帶放大器設(shè)計(jì)需要特有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)和寬帶偏置網(wǎng)絡(luò)； 而功率放大器則需要特有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、大信號(hào)下的輸入輸出阻抗、精確的非線性模型和散熱等。每個(gè)單獨(dú)的問(wèn)題都相對(duì)容易解決， 但當(dāng)它們都變成寬帶問(wèn)題時(shí)， 設(shè)計(jì)難度將會(huì)倍增。而且當(dāng)頻帶寬至多倍頻程時(shí)， 每個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)都是巨大的挑戰(zhàn)。根據(jù)總體的設(shè)計(jì)要求， 放大器設(shè)計(jì)分為2 個(gè)部分： 驅(qū)動(dòng)級(jí)部分和末級(jí)功率級(jí)部分， 由于HE641D 為集成功率放大器， 不需要匹配網(wǎng)絡(luò)， 所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有考慮在內(nèi)。
驅(qū)動(dòng)級(jí)部分包括FLL177ME、CRF24010 和CRF24060三級(jí)功率放大； 末級(jí)功率級(jí)部分主要是4 只CRF24060 功率合成。
2. 1 驅(qū)動(dòng)級(jí)設(shè)計(jì)
由于FLL177ME 功率管只有小信號(hào)S 參數(shù)， 而CRF24010 和CRF24060 有精確的大信號(hào)模型， 所以驅(qū)動(dòng)級(jí)設(shè)計(jì)采用整體設(shè)計(jì)和單管獨(dú)立設(shè)計(jì)再串聯(lián)的綜合設(shè)計(jì)方法， 對(duì)FLL177ME 功率管采用小信號(hào)參數(shù)模擬方法， 對(duì)SiC MESFET 功率管CRF24010 和CRF24060 利用精確的非線性模型， 采用整體設(shè)計(jì)，通過(guò)ADS 設(shè)計(jì)軟件， 運(yùn)用小信號(hào)和諧波平衡仿真方法對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行優(yōu)化。在軟件中建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ褪菍拵Х糯笃髟O(shè)計(jì)的關(guān)鍵， FLL177ME 功率管放大器CAD 設(shè)計(jì)電路原理圖如圖1 所示。
圖1 FLL177ME 電路拓?fù)?/font>
在對(duì)功率管CRF24010 和CRF24060 整體電路設(shè)計(jì)中， 綜合考慮功率管間的參數(shù)匹配， 充分利用器件之間的參數(shù)耦合彌補(bǔ)單器件性能的不足， 從而獲得較高的整體性能。為了解決放大器的功率增益隨頻率升高而下降的問(wèn)題， 采取“補(bǔ)償匹配技術(shù)”， 適當(dāng)?shù)厥馆斎牒洼敵銎ヅ渚W(wǎng)絡(luò)失配， 從而補(bǔ)償正向增益| S21| 隨頻率的變化。CRF24010 和CRF24060 功率管級(jí)聯(lián)CAD 設(shè)計(jì)電路原理圖如圖2 所示。
圖2 CRF24010 和CRF24060 電路拓?fù)?/font>
負(fù)反饋是改善放大器帶寬的有效措施之一。由于微波管增益隨頻率升高而下降， 采用負(fù)反饋可以降低頻率低端增益， 改善增益平坦度， 減小晶體管參數(shù)的離散性對(duì)放大器特性的影響。F177ME 和CRF24010 功率管采用負(fù)反饋技術(shù)來(lái)展寬放大器的帶寬， 獲得平坦的增益， 降低輸入輸出駐波比。采用電容、電阻串聯(lián)的負(fù)反饋方式可以大大增加穩(wěn)定性，減少噪聲損失， 并且可以改善系統(tǒng)增益的平坦度。
圖3 CRF24060 電路拓?fù)?/font>
2. 2 功率級(jí)設(shè)計(jì)
功率級(jí)通過(guò)3 dB 電橋進(jìn)行4 路CRF24060 功率合成， 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是CRF24060 單管放大器輸出功率的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)功率放大器完全不同于小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)， 其輸出電路首先要滿足高的集電極效率和足夠的飽和輸出功率， 要在輸出功率和增益之間合理設(shè)計(jì)， 將同時(shí)滿足功率輸出和增益要求的輸出負(fù)載作為功率管的輸出阻抗精心設(shè)計(jì)。由于功率管的增益隨頻率升高而下降， 且每個(gè)倍頻程增益下降約6 dB, 因此， 輸入匹配電路要采用衰減—— 頻率特性具有一定斜率的網(wǎng)絡(luò)， 使匹配網(wǎng)絡(luò)在頻率降低時(shí)產(chǎn)生失配， 而且由失配產(chǎn)生的衰減要近似按每倍頻程6 dB的規(guī)律增大， 從而抵消功率管增益變化的影響，保證放大器功率增益的平坦性和輸出功率的帶內(nèi)起伏小。CRF24060 功率管的電路拓?fù)淙鐖D3 所示。
圖3 CRF24060 電路拓?fù)?/font>
采用微波CAD 軟件ADS 對(duì)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化， 主要通過(guò)諧波平衡仿真的方法對(duì)輸出功率和諧波等大信號(hào)進(jìn)行仿真優(yōu)化。
2. 3 偏置電路設(shè)計(jì)
在射頻放大電路的設(shè)計(jì)中， 容易忽視直流偏置電路的設(shè)計(jì)。如果直流偏置電路設(shè)計(jì)不當(dāng)， 會(huì)影響射頻放大電路的功率增益和噪聲系數(shù)， 甚至?xí)?dǎo)致放大電路的不穩(wěn)定。通常根據(jù)特定電路的需要進(jìn)行有針對(duì)性的偏置電路的設(shè)計(jì)。在直流偏置電路的設(shè)計(jì)中， 電路的穩(wěn)定性是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。
偏置電路影響放大器的頻響特性和穩(wěn)定性， 所以設(shè)計(jì)時(shí)必須仔細(xì)考慮。在高頻段， 偏置電路對(duì)功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)有很大影響， 應(yīng)作為匹配電路的一部分來(lái)考慮。在CAD 仿真過(guò)程中， 偏置電路一并進(jìn)行仿真， 達(dá)到在工作頻段內(nèi)隔離直流和射頻信號(hào)的作用， 在不影響匹配的情況下， 濾除功率器件的各種雜散信號(hào)。
在前面設(shè)計(jì)的匹配電路的基礎(chǔ)上， 利用ADS 軟件對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)仿真和優(yōu)化， 小信號(hào)增益仿真結(jié)果如圖4 所示。
圖4 增益仿真與測(cè)試結(jié)果3 模塊制作與測(cè)試
基板材料采用CER- 10 板材， 介電常數(shù)9. 8, 厚度1. 19 mm。在版圖大小和損耗允許的情況下， 基板厚度增加， 可以避免PCB 板彎曲。微帶傳輸線的寬度及離地的距離應(yīng)嚴(yán)格按照ADS 計(jì)算的結(jié)果鋪設(shè)。根據(jù)以上方法， 設(shè)計(jì)制作了寬帶功率放大器模塊， 制作出電路后， 需要放大器模塊進(jìn)行調(diào)試， 反復(fù)的調(diào)試工作是功率放大器設(shè)計(jì)完成的保證， 系統(tǒng)仿真并不能替代功率放大器的調(diào)試工作。經(jīng)過(guò)調(diào)試后， 對(duì)寬功率放大器模塊主要性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，常溫下測(cè)試結(jié)果如表2 所示， 增益測(cè)試曲線如圖4所示。為了滿足工程環(huán)境要求， 對(duì)其做了輸出功率高低溫試驗(yàn)， 高低溫試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。
表2 寬帶功率放大器測(cè)試數(shù)據(jù)（ 常溫）
表3 寬帶功率放大器輸出功率測(cè)試（ 高低溫）
4 測(cè)試結(jié)果分析
采用4 只CRF24060 SiC 寬禁帶功率器件合成出了100 W 以上功率放大器， 工作范圍達(dá)到了500~2 000 MHz, 成功實(shí)現(xiàn)了多倍頻程工作帶寬， 體現(xiàn)出SiC 寬禁帶功率器件輸入、輸出特性阻抗較高， 比較容易實(shí)現(xiàn)寬帶電路匹配， 適合寬頻帶工作。從圖4增益仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比可以看出存在一定差異，特別是在頻率高端， 主要是由于仿真模型的理想化與實(shí)際電路存在損耗及加工制作誤差等原因所致，但測(cè)試結(jié)果滿足工程需要的各項(xiàng)指標(biāo)要求， 證明了設(shè)計(jì)方法的可行性。
SiC 寬禁帶功率器件的工作電壓為48 V, 工作時(shí)漏極電流較小（ 1. 0 A 左右） 。SiC 寬禁帶功率器件具有高工作電壓、小工作電流的特點(diǎn)。減小工作電流， 在工程中可以減小由于電源供電帶來(lái)的損耗，提高電源供電效率。
從高低溫試驗(yàn)結(jié)果看， 輸出功率較常溫下有所下降， 高溫工作時(shí)， SiC 功率器件輸出功率隨環(huán)境溫度升高而減小的速度約為- 0. 05 dB/ 10 ?？梢?jiàn)，應(yīng)用寬禁帶功率器件可以提高功率放大器的環(huán)境適應(yīng)能力， 使放大器可以在高溫、溫度變化大的環(huán)境中工作。
5 結(jié)束語(yǔ)
利用SiC 寬禁帶功率器件結(jié)合GaAs 功率器件設(shè)計(jì)制作了500~ 2 000 MHz 波段寬帶功率放大器，滿足工程需要的各項(xiàng)指標(biāo)， 證實(shí)了ADS 設(shè)計(jì)軟件能夠提高設(shè)計(jì)效率， 體現(xiàn)出SiC 寬禁帶功率器件工作帶寬較寬、增益帶寬積指標(biāo)較好、可靠性較高和環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)等特點(diǎn)， 可以應(yīng)用到實(shí)際的工程中。
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