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高效率小型化的宽带功放模块的设计研究

2020-11-20 417 上传者：管理员

摘要：设计了一种覆盖SCX波段的高效率、小型化、重量轻、高性能射频功放模块。该功放模块基于氮化镓MMIC功率放大器,通过合理排布电路结构,优化电路布局,实现了模块的高效率和小型化,同时也保证了射频、电源和控制信号的完整性。该功放模块采用垂直传输结构来实现,并借助三维仿真软件对电路版图进行优化仿真,进一步提高了工艺的可操作性和模块的可靠性。通过对该功放模块进行热仿真分析,满足高温、低气压、大占空比、长时间工作的要求。最终设计出来的功放模块尺寸仅为46.2mm×36mm×12mm。实测结果表明,小信号增益大于等于49dB,饱和输出功率大于等于20.9W,工作效率为31.6%。该功放模块带宽较宽、体积较小、性能可靠稳定,在无线通信、电子对抗等领域具有较高的应用价值。

关键词：
功放模块
垂直传输结构
宽带
小型化
高效率
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1、引言

功放模块作为现代无线通信、电子对抗、雷达等电子系统发射前端的关键组件之一，在发射系统中起着十分重要的作用，已经广泛应用于各种无线通信设备中[1,2]。有源相控阵技术的发展，对功放模块的功率、带宽、效率、体积等提出了更高的要求[3,4]。

目前国内外文献中关于功放模块的报道较多，但是研究的重点大多集中在低频段、窄带和大功率，对宽带（SCX波段）、高效率、小型化功放模块的报道较少。例如文献[5]～[7]分别介绍了L波段、S波段和C波段的功放设计，文献[8]介绍了1～6GHz宽带大功率固态功放的设计，而且相关报道的功放模块体积较大，不能适应目前小型化的要求。由此可见，提高功放模块的带宽和效率，以及功放模块的小型化、集成度的发展，具有非常重要的意义。

本文基于氮化镓MMIC功率放大器，通过高频电磁仿真软件AnsoftHFSS对模块垂直传输结构进行优化仿真和热仿真分析，最终设计并实现了宽带、高效率、小型化、重量轻、高性能的功放模块，尺寸为46.2mm×36mm×12mm，小信号增益大于等于49dB，饱和输出功率大于等于20.9W，工作效率为31.6%。

2、设计仿真

2.1 技术参数

本文设计的功放模块具体指标如下：工作频率为SCX波段，小信号增益大于等于48dB，饱和输出功率大于等于20W，工作效率大于等于30%，尺寸为46.2mm×36mm×12mm，质量小于等于150g。

2.2 功放模块电原理

由于该功放模块频带较宽，增益较高，在实现时采用SC波段功放和X波段功放分腔独立设计。

功放模块的电原理如图1所示。射频电路主要由驱动放大器、功率放大器及隔离器组成，隔离器主要用来提高功放模块输出端的抗失配能力。控制电路主要对功放模块的低频控制信号进行处理，实现对驱动放大器及功率放大器进行调制，同时在电路中增加了不同规格的电阻、电容等器件用于对各类信号进行去耦、滤波。

2.3 电路设计

为了得到较好的模块性能，在实现时采用SC波段功放和X波段功放分腔独立设计，提高了两波段功放之间的隔离度，避免相互干扰。同时在功放后级增加了隔离器，用于提高模块输出端的抗失配能力。

图1功放模块电原理

功放模块在设计中主要基于氮化镓MMIC功率放大器来实现，同时通过合理排布电路结构，优化电路布局，提高模块的效率和小型化水平，同时也保证射频、电源和控制信号的完整性。下面对射频电路和供电控制电路设计进行详细描述。图2为功放模块链路计算图，图中P为功率值，G为增益值。

图2功放模块链路计算

增益计算公式为[9]:

其中GSYS为模块总增益。经过计算，SC波段链路的增益为51.5dB，模块的发射功率主要取决于末级功放的输出功率，当功放的输入激励信号电平为23dBm时，功放的输出功率为44dBm，所以功放模块的最终输出功率为43.5dBm，效率为38.1%。

X波段链路的增益为49.5dB，当功放的输入激励信号电平为23dBm时，功放的输出功率为45.5dBm，所以功放模块的最终输出功率为45dBm，效率为36%。

图3为功放模块供电控制电路，其中，驱放需要+8V调制电压，氮化镓功放需要一个栅压和+28V调制漏压。为了提高功放模块的可靠性，该供电控制电路还集成了输入过压保护、过热保护和负压使能控制功能。

图3功放模块供电控制电路

2.4 传输结构仿真

根据用户使用需求，该功放模块射频同轴端口经SMP连接器输入到微波基板的顶层，经微带线过渡后，再通过SMP连接器垂直输出，形成“同轴-微带-同轴”的三维垂直互联传输模型。

为了提高功放模块的工作效率，需要尽可能减小该传输结构对模块带来的影响，需对该垂直传输结构进行微波仿真优化，以保证模块在整个工作频带内的微波性能。同时，由于垂直SMP连接器在工艺装配时，容易造成射频接口短路，也需要对该电路板顶层和底层版图进行优化设计。

利用高频电磁场仿真软件HFSS对该垂直传输结构和电路版图进行建模仿真，保证模块微波性能的同时，可以提高模块的工艺操作性和可靠性。

图4为同轴-微带-同轴的三维垂直互联传输模型及电路板底层版图设计模型，图5为该传输结构的仿真结果。通过优化设计，垂直SMP连接器顶层电路板直径为1.1mm，底层电路板避让直径为2.7mm时，垂直过渡的性能较好，在2～12GHz范围内，插入损耗都小于0.1dB，驻波比小于1.2，同时该电路板设计尺寸便于工艺操作，提高了焊接可靠性。

2.5 热仿真

该功放模块要求在环境温度为-55～+62℃、功放占空比为40%、（1.3±0.33）×10-2Pa的低气压条件下工作250s。在高温（+62℃）时，如果功放芯片温度过高，可能会造成芯片烧毁，因此，需要对该功放模块进行热仿真设计。在实际工作时，功放模块安装面有一个Φ136mm×10mm的铝材料散热板，根据以上工作条件，该功放模块热仿真结果如图6所示。

图4仿真模型

图5仿真结果

图6功放模块热仿真

由图6可知，功放模块壳温约为92℃，芯片热阻约为2℃/W，经计算，功放芯片结温约为142℃，在该温度下，功放芯片可以正常工作。

3、模块测试结果

该功放模块壳体和盖板材料均为无氧铜，采用激光封盖密封设计，功放模块生产完成后，其外形如图7所示，模块外形尺寸为46.2mm×36mm×12mm，质量为113g。

图7功放模块实物图

对功放模块的性能指标进行测试，其小信号增益和饱和输出功率测试结果如图8所示。

图8小信号增益和饱和输出功率测试结果

由以上测试结果可知，在SCX频段内，小信号增益大于等于49dB，饱和输出功率大于等于20.9W，经过计算，模块工作效率为31.6%，以上实测结果均满足设计指标要求。

目前国内外文献中所介绍的功放实现指标大多频率低、带宽窄（SC波段）[5,6,7]、体积大（180mm×90mm×25mm)[8]，该功放模块指标具有频带宽（SCX波段）、效率高（大于等于31.6%）、体积小（46.2mm×36mm×12mm）、重量轻（113g）的优点，可广泛应用在无线通信、电子对抗等领域。

4、结论

本文介绍了一种宽带、高效率、小型化、高性能的功放模块设计与实现方法，借助三维仿真软件对垂直传输结构和电路版图进行仿真优化，在保证模块微波性能的同时，提高了工艺操作性和可靠性。通过热仿真分析，可以满足用户的使用要求。实测结果表明，模块小信号增益大于等于49dB，饱和输出功率大于等于20.9W，工作效率为31.6%，均满足设计指标要求。

参考文献：

[2]李卫军.无线通信系统中功率放大器的设计[D].西安:西安电子科技大学,2014.

[3]易建东.小型化高可靠宽带功放技术的研究[J].电讯技术,2005(2):156-158.

[6]陈晓青,戈硕,时晓航.基于GaNHEMT的S波段大功率内匹配功率管设计[J].电子与封装,2019,19(7):45-48.

[7]夏永平,李贺,魏斌.C波段GaN高功率放大器设计[J].电子与封装,2018,18(1):34-38.

[8]马佳,吴云飞,韩海生,等.1~6GHz宽带大功率固态功放设计[J].黑龙江工程学院学报,2019,33(2):46-49.

[9]LUDWIGR,BRETCHKOP.射频电路设计——理论与应用[M].张肇仪,徐承和,译.北京:电子工业出版社,2002:5.

尹洪浩,冯媛,朱臣伟,赵逸涵,罗天.一种宽带高效率小型化功放模块的设计[J].电子与封装,2020,20(11):58-61.