800 MHz~1250 MHz 70 W高效功率放大模块设计

　　刘传洋，郑 焘（中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 100048）

　　摘 要：主要介绍了一款频段为800 MHz~1250 MHz，输出功率大于70 W高效小型化模块的设计，着重讨论SiC单管电路的匹配电路的仿真与设计。根据仿真电路设计版图，加工安装模块，实测在800 MHz~1250 MHz频段上饱和功率输出大于70 W，增益大于7.5 dB，效率大于40%。

　　关键词：SiC功率管；阻抗匹配；ADS仿真

　　作者简介刘传洋（1977—），男，高级工程师，毕业于吉林大学通信工程专业，从事功率合成技术研究。

　　郑 焘（1981—），男，高级工程师，毕业于成都电子科技大学电磁场与微波专业，从事功率合成技术研究。

　　在现代电子装备系统中，对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级，更高的工作效率。作为系统中的单元功放，其效率的高低，体积的大小，对系统有着直接的影响。功放模块作为功率放大器的基本单元，它的效率、体积决定了整机的效率和体积。

　　在L频段，现在最常用的功率管主要有双极性晶体管和场效应管，双极性晶体管的效率比较低，增益也不够高。我们就选用了一种采用SiC材料的场效应功率管。相对于硅和砷化镓等材料，SiC具有更高的击穿电压，更加良好的导热性，还有较高的电子迁移率。因此SiC场效应管能提供较高的饱和功率和更宽的带宽。

　　为解决小型化高效功率模块设计的问题，本文提供了一种设计思路。以SiC材料的CRF-24060为例，设计了800 MHz~1 250 MHz，功率等级70瓦的功率放大器模块，其工作效率可以达到40%以上 ^[1-3] 。

　　1 设计思路

　　随着计算机辅助设计软件的推广应用，在射频微波电路设计领域，本文利用ADS软件对CRF-24060的进行设计。

　　用ADS设计功放电路，最理想的情况是器件生产商提供大信号情况下的器件模型。这样不仅可以进行匹配电路的优化（如输出功率和增益），还能用谐波平衡法进行电路的非线性仿真，如N次谐波分量、三阶互调等。本文中的CRF-24060值提供了功放管的小信号模型，设计思路就是根据功放管的小信号模型进行输入输出匹配电路的设计，保证输入输出有良好的匹配。

　　下面，通过一个800 MHz~1 250 MHz 50 W功放模块的设计全过程，讲述如何用ADS软件来进行高效功放的设计。

　　2 功放模块的设计

　　2.1 功放管的选型

　　作为一种新型的半导体材料，SiC以其优良的物理化学特性和电特性成为制造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和大功率／高额电子器件最重要的半导体材料。特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件。

　　本文选用了一款SiC MESFET功放器件CRF-24060作为设计对象，主要参数如图1所示。此功率管推荐工作频段在800 MHz~1 600 MHz，本文对此管子进行扩频使用。通过产品资料可以看到在推荐频段内，增益大于10 dB，输出功率大于48 dBm。

　　2.2 匹配电路仿真设计

　　图3是对其建立了小信号电路仿真拓扑模型，利用CRF-24060的小信号模型，在ADS软件中对其输入输出电路分别进行匹配，设置优化参数，设置优化目标，保证其输入输出电路在800 MHz~1 250 MHz频段内有着最优的匹配。

　　本文将仿真频段往下拓展到700 MHz，保证其在低频段也能满足指标要求。优化后S21在10 dB以上，S22小于-11 dB，满足本文功放模块设计要求。仿真结果图如图3所示。

　　3 功放模块的实测

　　如图4所示，根据仿真结果，生成输入输出的印制板图，在栅极以及漏极分别加上供电电路。

　　按照该匹配输入输出加工电路板，进行安装测试，功率放大模块的实物图如图5所示。

　　图6所示的是功放模块的实测饱和功率、增益、效率实测图。从图上可以看到该模块饱和功率输出大于70W，增益大于7.5 dB，效率大于40%。

　　4 结论

　　功率模块的小型、高效性对功放的小型化和高效起着决定性的因素。功率放大器的设计方法有很多，除了本文介绍的外，还有基于大信号模型的仿真设计。不同设计方法之间不存在绝对的优与差，主要还是根据设计师的喜好，以及厂家提供的模型类型来决定设计方法。本文介绍了一种基于SiC材料的功率放大管的设计方法，对其输入输出电路分别进行匹配，加工并装配了功率放大模块，实测结果表明该功率放大模块在（800~1 250）MHz频段内输出功率大于70 W，效率大于40%。此种功率放大模块在有源相控阵系统具有广阔的应用前景。

　　参考文献

　　[1] 电子科技大学 微波集成电路设计

　　[2] 刘学观,郭辉萍.微波技术与天线[M].西安：西安电子科技大学出版社.

　　[3] 王宝志.微波技术与工程天线[M].北京：人民邮电出版.

　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第12期第44页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。