SiC宽带功率放大器模块设计分析

张书敬

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

随着现代技术的发展,功率放大器已成为无线通信系统中一个不可或缺的部分[1],特别是宽带大功率产生技术已成为现代通信对抗的关键技术。作为第三代半导体材料碳化硅(SiC),具有宽禁带、高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率、化学性能稳定以及抗辐射等优点,特别适合制造高温、高频、高功率和抗辐射的功率器件[2]。用宽禁带半导体制成的高温、高频和大功率微波器件可以明显改善雷达、电子对抗系统以及通信系统等众多电子信息系统的性能[3,4]。已有文献报道[5]采用SiC功率器件制作了宽带脉冲功率放大器,并进行了性能测试和环境试验,证实了SiC功率器件可靠性较高、环境适应能力较强等特点。

利用SiC宽禁带功率器件设计实现了宽带高功率放大器,工作频率带宽500～2 000 MHz,输出功率超过100 W,通过对放大器进行性能测试,发现SiC宽禁带功率器件具有工作频带宽的优势。

1 设计方案

SiC宽禁带功率器件具有高功率、宽频带和耐高温的特点。CREE公司生产的SiC器件比较成熟,器件性能较好。因此,选用了CREE公司2种商用功率器件,其功率量级分别为10 W和50 W,其型号分别为 CRF24010和 CRF24060,性能指标如表 1所示。

表1 SiC功率器件性能参数

该功率放大器模块采用了2组电源电压分别为+12 V和+48 V,前级激励功率采用GaAs电路实现,末级选用SiC微波功率晶体管进行功率放大。根据技术指标要求,选用5级放大电路实现增益和功率电平分配。前级GaAs单元电路为2级放大:第1级采用HE641D集成功率放大器,增益25 dB,输出功率25 dBm,第2级采用FLL177ME功率管,增益8 dB,输出功率32.5 dBm(@f=2.3 GHz);SiC单元电路采用3级放大链路,由GaAs单元电路激励信号经第3级CRF24010的10 W_的SiC放大器进行放大,再经过第4级CRF24060SiC放大器放大,输出的射频能量经过4路功率分配器后分别推动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的连续波功率。

研制的功率放大器模块是为了满足某工程需要。工作频率:500～2 000 MHz,连续波输出功率:≥100 W,总增益≥50 dB,杂波抑制:≤-60 dBc;工作温度:-10～+50℃。

2 放大器优化设计步骤

放大器级设计要兼顾宽带放大器和功率放大器2个方面的设计要求:宽带放大器设计需要特有的拓扑结构、宽带匹配网络和宽带偏置网络;而功率放大器则需要特有的拓扑结构、大信号下的输入输出阻抗、精确的非线性模型和散热等。每个单独的问题都相对容易解决,但当它们都变成宽带问题时,设计难度将会倍增。而且当频带宽至多倍频程时,每个环节的设计都是巨大的挑战。根据总体的设计要求,放大器设计分为2个部分:驱动级部分和末级功率级部分,由于HE641D为集成功率放大器,不需要匹配网络,所以在优化设计过程中没有考虑在内。驱动级部分包括FLL177ME、CRF24010和CRF24060三级功率放大;末级功率级部分主要是 4只CRF24060功率合成。

2.1 驱动级设计

由于FLL177ME功率管只有小信号S参数,而CRF24010和CRF24060有精确的大信号模型,所以驱动级设计采用整体设计和单管独立设计再串联的综合设计方法,对FLL177ME功率管采用小信号参数模拟方法,对SiC MESFET功率管CRF24010和CRF24060利用精确的非线性模型,采用整体设计,通过ADS设计软件,运用小信号和谐波平衡仿真方法对设计电路进行优化。在软件中建立网络拓扑模型是宽带放大器设计的关键,FLL177ME功率管放大器CAD设计电路原理图如图1所示。

图1 FLL177ME电路拓扑

在对功率管CRF24010和CRF24060整体电路设计中,综合考虑功率管间的参数匹配,充分利用器件之间的参数耦合弥补单器件性能的不足,从而获得较高的整体性能。为了解决放大器的功率增益随频率升高而下降的问题,采取“补偿匹配技术”,适当地使输入和输出匹配网络失配,从而补偿正向增益|S21|随频率的变化。CRF24010和CRF24060功率管级联CAD设计电路原理图如图2所示。

图2 CRF24010和CRF24060电路拓扑

负反馈是改善放大器带宽的有效措施之一。由于微波管增益随频率升高而下降,采用负反馈可以降低频率低端增益,改善增益平坦度,减小晶体管参数的离散性对放大器特性的影响。F177ME和CRF24010功率管采用负反馈技术来展宽放大器的带宽,获得平坦的增益,降低输入输出驻波比。采用电容、电阻串联的负反馈方式可以大大增加稳定性,减少噪声损失,并且可以改善系统增益的平坦度。

2.2 功率级设计

功率级通过3 dB电桥进行4路CRF24060功率合成,设计的重点是CRF24060单管放大器输出功率的设计。设计功率放大器完全不同于小信号放大器的设计,其输出电路首先要满足高的集电极效率和足够的饱和输出功率,要在输出功率和增益之间合理设计,将同时满足功率输出和增益要求的输出负载作为功率管的输出阻抗精心设计。由于功率管的增益随频率升高而下降,且每个倍频程增益下降约6 dB,因此,输入匹配电路要采用衰减—频率特性具有一定斜率的网络,使匹配网络在频率降低时产生失配,而且由失配产生的衰减要近似按每倍频程6 dB的规律增大,从而抵消功率管增益变化的影响,保证放大器功率增益的平坦性和输出功率的带内起伏小。CRF24060功率管的电路拓扑如图3所示。

图3 CRF24060电路拓扑

采用微波CAD软件ADS对电路拓扑结构进行优化,主要通过谐波平衡仿真的方法对输出功率和谐波等大信号进行仿真优化。

2.3 偏置电路设计

在射频放大电路的设计中,容易忽视直流偏置电路的设计。如果直流偏置电路设计不当,会影响射频放大电路的功率增益和噪声系数,甚至会导致放大电路的不稳定。通常根据特定电路的需要进行有针对性的偏置电路的设计。在直流偏置电路的设计中,电路的稳定性是一个非常重要的指标。

偏置电路影响放大器的频响特性和稳定性,所以设计时必须仔细考虑。在高频段,偏置电路对功率放大器的匹配网络有很大影响,应作为匹配电路的一部分来考虑。在CAD仿真过程中,偏置电路一并进行仿真,达到在工作频段内隔离直流和射频信号的作用,在不影响匹配的情况下,滤除功率器件的各种杂散信号。

在前面设计的匹配电路的基础上,利用ADS软件对整个电路进行级联仿真和优化,小信号增益仿真结果如图4所示。

图4 增益仿真与测试结果

3 模块制作与测试

基板材料采用CER-10板材,介电常数9.8,厚度1.19 mm。在版图大小和损耗允许的情况下,基板厚度增加,可以避免PCB板弯曲。微带传输线的宽度及离地的距离应严格按照ADS计算的结果铺设。根据以上方法,设计制作了宽带功率放大器模块,制作出电路后,需要放大器模块进行调试,反复的调试工作是功率放大器设计完成的保证,系统仿真并不能替代功率放大器的调试工作。经过调试后,对宽功率放大器模块主要性能指标进行了测试,常温下测试结果如表2所示,增益测试曲线如图4所示。为了满足工程环境要求,对其做了输出功率高低温试验,高低温试验结果如表3所示。

表2 宽带功率放大器测试数据(常温)

表3 宽带功率放大器输出功率测试(高低温)

4 测试结果分析

采用4只CRF24060 SiC宽禁带功率器件合成出了100 W以上功率放大器,工作范围达到了500～2 000 MHz,成功实现了多倍频程工作带宽,体现出SiC宽禁带功率器件输入、输出特性阻抗较高,比较容易实现宽带电路匹配,适合宽频带工作。从图4增益仿真与测试结果对比可以看出存在一定差异,特别是在频率高端,主要是由于仿真模型的理想化与实际电路存在损耗及加工制作误差等原因所致,但测试结果满足工程需要的各项指标要求,证明了设计方法的可行性。

SiC宽禁带功率器件的工作电压为48 V,工作时漏极电流较小(1.0 A左右)。SiC宽禁带功率器件具有高工作电压、小工作电流的特点。减小工作电流,在工程中可以减小由于电源供电带来的损耗,提高电源供电效率。

从高低温试验结果看,输出功率较常温下有所下降,高温工作时,SiC功率器件输出功率随环境温度升高而减小的速度约为-0.05 dB/10℃。可见,应用宽禁带功率器件可以提高功率放大器的环境适应能力,使放大器可以在高温、温度变化大的环境中工作。

5 结束语

利用SiC宽禁带功率器件结合GaAs功率器件设计制作了500～2 000 MHz波段宽带功率放大器,满足工程需要的各项指标,证实了ADS设计软件能够提高设计效率,体现出SiC宽禁带功率器件工作带宽较宽、增益带宽积指标较好、可靠性较高和环境适应能力较强等特点,可以应用到实际的工程中。

[1]戈 稳.雷达接收机技术[M].北京:电子工业出版社,2005.

[2]MILLIGAN J W,SHEPPARD S,PRIBBLE W,et al.SiC and GaN Wide Bandgap Device Technology Overview[C].IEEE Radar Conference,2007:960-964.

[3]OSTLING M,KOO S-M,LEE S-K,etal.SiC Device Technology for High Voltage and RF Power Applications[C].23rd International Microelectronics Conference,2002:31-39.

[4]W ALDEN M G,KNIGHT M.Evaluationof Commercially Available SiCMESFETs for PhasedArray Radar Applications[C].The 10th IEEE International Symposium on Electron Devices for Microwave and Optoelectronic Applications,2002:166-171.

[5]刘 晗,郑 新,商坚钢,等.SiC宽禁带功率放大器的设计与实践[J].微波学报,2008,24(5):40-44.

[6]敦书波,刘俭成,魏利郝.UHF宽带固态大功率放大器的设计与实现[J].无线电工程,2007,37(5):57-58.