960～1400_MHz宽带功率放大器设计_程素杰.pdf

www.ChinaAET.comMicroelectronic Technology微电子技术9601 400 MHz 宽带功率放大器设计程素杰1，2，姚小江1，2，丛密芳3，王为民1，2，高津1，2（1.南京邮电大学 集成电路科学与工程学院，江苏 南京 210023；2.南京邮电大学镇江研究院，江苏 镇江 212002；3.中国科学院微电子研究所，北京 100029）摘 要：基于横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件，研制了一款应用于 L 波段的宽带射频功率放大器。该放大器共由 2 级放大级联组成，为了实现宽带以及良好的输出驻波，末级功放采用平衡式拓扑电路结构；级间匹配网络使用微带线及电容混合匹配方法实现宽带匹配。最终实测数据如下：频率覆盖 0.96 GHz1.4 GHz，功放整体输出功率达到 50 dBm（100 W），功率增益大于 30 dB，效率大于 45%。功率回退 8 dB，输出功率 42 dBm 时，邻信道功率比（ACPR）为-40 dBC。指标表明功放模块能够很好地应用于雷达和无线通信发射机中。关键词：横向扩散金属氧化物半导体；L 波段；宽带；级联中图分类号：TN722.75 文献标志码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.223362中文引用格式：程素杰，姚小江，丛密芳，等.9601 400 MHz 宽带功率放大器设计J.电子技术应用，2023，49(4)：52-56.英文引用格式：Cheng Sujie，Yao Xiaojiang，Cong Mifang，et al.Design of 9601 400 MHz broadband power amplifierJ.Application of Electronic Technique，2023，49(4)：52-56.Design of 9601 400 MHz broadband power amplifierCheng Sujie1，2，Yao Xiaojiang1，2，Cong Mifang3，Wang Weimin1，2，Gao Jin1，2(1.College of Integrated Circuit Science and Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023，China；2.Zhenjiang Research Institute，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Zhenjiang 212002，China；3.Institute of Microelectronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China)Abstract：Based on laterally diffused metal-oxide-semiconductor(LDMOS)devices,a broadband RF power amplifier for L-band was developed.The amplifier is composed of two stages of amplification and cascade connection.In order to achieve broadband and good output standing wave,the final stage power amplifier adopts a balanced topology circuit structure;the inter-stage matching network uses the microstrip line and capacitor hybrid matching method to achieve broadband matching.The final measured data are as follows:the frequency covers 0.96 GHz1.4 GHz,the overall output power of the power amplifier reaches 50 dBm(100 W),the power gain is greater than 30 dB,and the efficiency is greater than 45%.The power backoff is 8 dB,and when the output power is 42 dBm,the adjacent channel power ratio(ACPR)is-40 dBC.The indicators show that the power amplifier module can be well used in radar and wireless communication transmitters.Key words：laterally diffused metal oxide semiconductor；L-band；broadband；cascade0 引言无线通信技术研究不断深入、技术水平不断进步，射频功率放大器得到不断的发展，射频功率放大器成为军事和民用上必不可少的部分13，广泛地应用于无线电台、微波通信、卫星通信45、移动通信以及航天器与地球之间的遥测、遥控等。功率放大器作为无线通信系统的基础部件，是发射支路的核心组成部分67，对于发射支路而言，功放单元要具有高效率、宽带化及高线性度等特点810，从而满足现在无线通信系统对发射支路的性能要求。本 文 基 于 中 国 科 学 院 微 电 子 研 究 所 开 发 的 射 频（RF）LDMOS 器件研制出一款 L 波段应用于雷达和无线通信发射机的宽带、高功率及高线性度功率放大器。1 射频器件选取DS20P100N 是中科院微电子所开发的大功率、N 沟道增强型 MOS 场效应晶体管，能应用于雷达、加速器、物联网、微波加热及工业用途等。本文末级功放选取器件为 DS20P100N，工作电压 28 V，输出功率 100 W，频52Microelectronic Technology微电子技术电子技术应用 2023年 第49卷 第4期段覆盖范围 800 MHz2 000 MHz，其管壳形式为对管封装，方便进行外部功率合成以及 Doherty 电路设计。器件的击穿电压特性曲线如图 1 所示,其中 VDS为漏极电压，ID为漏极电流，从图中看出，击穿电压在 66 V 左右。器件的栅压（VGS）与跨导（gm）及漏极电流（ID）关系 曲 线 如 图 2 所 示。器 件 的 各 种 极 限 参 数 值 如 表 1所示。2 射频功放模块设计2.1 射频功放模块总体方案本文设计一款基于 RF LDMOS 器件的宽带功率放大器，射频功率放大器模块方案框图如图 3 所示。射频功放模块主要包括三部分：驱动级功放、末级功放以及偏置电路。信号源发射信号，先经过驱动功放实现信号放大，信号再经过 3 dB 电桥分别输入到两路单路功放，最后经过 3 dB 电桥后，射频功放输出信号大于 50 dBm，最后功率回退 8 dB 时输出功率大于 42 dBm。本文提出的射频功放模块包括以下两个特点：（1）高 功 率:为 保 证 回 退 8 dB 后 的 功 率 达 到42 dBm，末级功放的设计需要选取饱和功率 100 W 的器件。在 0.96 GHz1.4 GHz 频率内，本文射频功放输出功率大于 50 dBm。（2）宽带：为实现功率放大器宽带化设计，驱动级功放可以通过功率管的选择和匹配电路的有耗失配实现宽带化设计。而末级功放扩展工作带宽的同时，为保证功率、增益、稳定性以及输出端优良的 VSWR 特性，并结合大功率管输入输出阻抗值小、匹配难度大的特点，本文末级采用平衡式放大电路来提高工作带宽并减小输入输出驻波。2.2 驱动级功放设计驱动级功放设计主要包括功率器件选择和匹配网络设计，其主要目的是推动末级功放工作。在提高工作带宽的前提下，保证驱动级功放有较高的输出功率、平坦的增益以及良好的线性度指标。驱动级器件采用中科院微电子所自研 RF LDMOS 器件 DS38S010P，击穿电压 65 V。为了适用于系统以及对高驻波性能、输出功率和效率的考量，器件工作点选择为VDS=28 V，IDQ=200 mA。匹配网络的设计通过采用节点品质因数 Qn=1.5 及混合匹配方式。混合匹配包括微带线（TL）及电容 C，微带线具有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高及造价成本低等优点以及可以灵活调节电容 C 值 11。驱动级功放原理图如图 4 所示。2.3 末级功放设计末级功放是本文射频功放模块的核心部分，其功率输出的大小决定功率回退后的输出功率。本文末级功放采用平衡结构，匹配网络由分立元件与多节微带线共同组成。末级功放的输出功率是由两路功放通过功率合成输出功率大于 50 dBm。末级功放选择中科院微电子所自研功率管 DS20P100N，其工作点选择为 VDS=28 V，IDQ=200 mA。功率放大器的设计中需要提取功率管的阻抗点，便于匹配电路的设计。利用负载牵引法1213提图 3射频功放方案图图 1击穿电压特性曲线图 2栅压与跨导和漏极电流关系曲线表 1DS20P100N 的极限参数极限参数漏-源极间电压/V栅-源极间电压/V漏极电流/A器件总功率（T=25）/W储存温度范围/结点温度/符号VDSSVGSSIDPDTstgTJ极限值-0.5651020300-6515020053Microelectronic Technology微电子技术www.ChinaAET.com取功率管源阻抗值与负载阻抗值，获得 0.96 GHz1.4 GHz 频带内不同频率点的源阻抗值（Zin）与负载阻抗值（Zout）。功 率 管 DS20P100N 不 同 频 率 阻 抗 点 值 如 表 2所示。根据表 2 中功率管的不同频点对应的阻抗值，需要选择合适频率点与阻抗点完成匹配电路设计。根据倍频程公式：f0=fL fH（1）式中，fL表示下限频率0.96 GHz，fH表示上限频率1.4 GHz。其中心频率 f0为 1.16 GHz。根据中心频率选取功率管的阻抗点为 Zin=(8-10j)，Zout=(5.4-5j)。根据所得到的阻抗点设计单路功放匹配电路，采用分立元件电容 C 与多支节微带线（TL）相结合的方式进行电路匹配。两路功放通过 3 dB 电桥组合形成平衡式电路结构，末级功放电路原理图如图 5 所示。3 实物及测量结果射频功放模块实物图如图 6 所示。射频功放模块的PCB 板 材 选 取 为 1.2 mm 的 FR-4,PCB 尺 寸 大 小 为130 mm70 mm。功放模块的驱动级与末级功放需要六路供电，为了减少供电电源数量，功放模块供电采用DC/DC 转换器，功放只需一路供电为 28 V，通过 DC/DC转换器分别为栅极和漏极供电。3.1 大信号测量射频模块进行大信号连续波测量，在频带内对不同频率点进行测量，测量输出功率（POUT）与输入功率（PIN）关系如图 7 所示，输入功率（PIN）与漏极效率（PAE）关系如图 8 所示。射频模块的输出功率 50 dBm 左右，增益3031 dB 以及漏极效率 45%52%。3.2 线性度指标测量本文应用 WCDMA 调制信号对功放模块进行线性度评估，设置信号带宽 3.84 MHz，PAR 定义为 8 dB。测量线性指标，不同频点的效率（PAE）、输出功率（POUT）以 及 增 益（GP）曲 线 如 图 9 所 示。输 出 功 率（POUT）与ACPR 曲线如图 10 所示。由图 9 和图 10 可知，功放模块回退 8 dB 时，频带内功率输出大于 42 dBm(16 W)，增益大于 32 dB，漏极效