SiC宽带功率放大器模块设计分析

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, 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。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。已有文献报道采用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。测试结果表明利用该方法设计宽带功率放大器是可行的， SiC 宽禁带功率器件具有较宽的工作带宽。

　　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CRF24060 SiC 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~ 2000 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