高功率寬帶放大器設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

高功率寬帶放大器的設(shè)計(jì)是一件非常有挑戰(zhàn)性的工作，工程師需要在多個(gè)相互對(duì)立的設(shè)計(jì)參數(shù)之間進(jìn)行折中。對(duì)于一個(gè)放大器用戶(hù)來(lái)說(shuō)，不論是初始投資還是以后的運(yùn)行成本都是非常重要的考慮因素。本文將深入探討這些需求以及有哪些選擇，可以達(dá)到這些相互矛盾的設(shè)計(jì)目標(biāo)。對(duì)于具體的應(yīng)用，還會(huì)給出建議來(lái)選擇合適的放大器及最需要考量的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

1、介紹

寬帶放大器的設(shè)計(jì)者需要滿(mǎn)足多種設(shè)計(jì)需求，例如，對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，寬帶放大器需要足夠的線性，且在諧波頻率處是全反射的。此外，對(duì)于雷達(dá)，軍用發(fā)射機(jī)等非廣播電視的應(yīng)用來(lái)講，放大器還必須能夠承受輸出端巨大的失配，這些通常是連接天線的特性，終端負(fù)載，待測(cè)設(shè)備本身的反射等原因造成的。對(duì)于這些應(yīng)用，放大器的強(qiáng)健性，也就是說(shuō)不易損壞就變得異常重要了。由于放大器損壞導(dǎo)致的不可測(cè)量，就意味著工程會(huì)面臨嚴(yán)重且昂貴的延誤，甚至實(shí)驗(yàn)室的收益也會(huì)受到損失等。

從商業(yè)的角度來(lái)講，不論是初始投資還是以后的運(yùn)行成本都是非常重要的。因此，高的可靠性以及易維護(hù)性就是達(dá)到這些目標(biāo)的關(guān)鍵因素。此外，對(duì)于超大功率的寬帶放大器來(lái)說(shuō)，為了降低運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，還需要盡可能的提高功率效率。本文的第二部分將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)討論。

當(dāng)為某一個(gè)特定應(yīng)用尋找放大器的時(shí)候，最重要的是能都解釋清楚數(shù)據(jù)表中的各個(gè)參數(shù)，不同的功放制造商定義功放參數(shù)的方式是不一樣的。第三部分將建議如何讀懂這參數(shù)并如何對(duì)比。

2、高功率寬帶放大器設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)高功率寬帶放大器時(shí)，工程師需要對(duì)帶寬 ，增益，輸出功率以及在各種幅度和相位條件下失配的行為特性，線性度，諧波特性，功率效率等進(jìn)行綜合考慮，并從中找出最重要的優(yōu)先考慮的指標(biāo)。

這些指標(biāo)大多是相互影響的，對(duì)于給定的晶體管類(lèi)型來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)的帶寬增加，能夠得到的輸出功率就會(huì)減小。更加具有挑戰(zhàn)性的是，為了達(dá)到更大的輸出功率，匹配網(wǎng)絡(luò)以及相應(yīng)的功分電路，功率合成電路就會(huì)變得更加困難。同時(shí)，功放管的使用壽命非常依賴(lài)于放大器的散熱設(shè)計(jì)和功放管外圍的保護(hù)電路。

對(duì)于A類(lèi) 放大器，晶體管通常偏置在一個(gè)較大的靜態(tài)電流上，這樣可以得到一個(gè)非常線性的放大特性，但是卻要承受差的功率效率，并對(duì)晶體管帶來(lái)很大的散熱壓力。AB類(lèi)放大器相比A類(lèi)放大器具有低的靜態(tài)偏置電流，同樣可以得到很好的線性特性，以及好得多的功率效率，晶體管的散熱壓力得到減小。通常都采用推挽結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

為了更好的理解熱應(yīng)力對(duì)晶體管使用壽命的影響，我們可以以典型LDMOS晶體管的結(jié)溫行為特性來(lái)說(shuō)明，如圖1所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所說(shuō)，結(jié)溫降低10度，晶體管壽命可以增加一倍。如果使用GaN晶體管，結(jié)溫的降低對(duì)壽命有更大的好處?，F(xiàn)在的功放管可以提供更大的RF 功率密度，能夠?qū)崿F(xiàn)更加緊湊尺寸更小的放大器，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就變成了如何設(shè)計(jì)更加高效的熱沉來(lái)處理功放管耗散出來(lái)的大量熱能。對(duì)于A類(lèi)放大器來(lái)說(shuō)，這通常是難以實(shí)現(xiàn)的，需要更多的晶體管，并降低每個(gè)晶體管的最大功率輸出，來(lái)處理散熱難題。即使這樣，A類(lèi)放大器在沒(méi)有射頻輸入的情況下，仍然具有很高的結(jié)溫，原因在于它們具有很大的靜態(tài)偏置電流，當(dāng)散熱設(shè)計(jì)處理不好時(shí)，使用壽命就會(huì)大大減少。

圖1、LDMOS 晶體管壽命隨漏極電流在不同結(jié)溫下的關(guān)系曲線，曲線1到11代表結(jié)溫從100 °C到200 °C，步進(jìn)10 °C

對(duì)于一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，并不是總是需要寬帶放大器提供最大的功率輸出，例如進(jìn)行EMS測(cè)試。圖2 顯示的是在一個(gè)200伏/米的EMS系統(tǒng)中，放大器加到EMS天線上的功率隨頻率變化的校準(zhǔn)曲線?？梢钥闯觯枰煌墓β瘦敵鰜?lái)達(dá)到相應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)。如圖2 中描述的，在100MHz處，需要的最大前向功率是1050瓦左右，而在200MHz及以上頻率處 ，所需的最大前向功率降到600瓦左右，對(duì)于某些頻點(diǎn) 甚至可以降低到400瓦左右。因此，在這些EMS應(yīng)用當(dāng)中，AB類(lèi)放大器相比A類(lèi)放大器具有更好的效率，晶體管更低的結(jié)溫可以帶來(lái)更長(zhǎng)的使用壽命。

圖2、在EMS 測(cè)試中，為達(dá)到200伏/米的場(chǎng)強(qiáng)，放大器輸出和天線輸入端在不同頻率處所需要達(dá)到的前向功率

不考慮高功率寬帶放大器的類(lèi)型，高的駐波比也會(huì)對(duì)晶體管帶來(lái)額外的壓力。因?yàn)榉瓷浠貋?lái)的射頻功率也會(huì)消散在放大器電路中，這又進(jìn)一步增加了晶體管的結(jié)溫。為了避免高的駐波比損壞放大器，必須設(shè)計(jì)出高效的功率耗散電路，這可以通過(guò)散熱系統(tǒng)合理的布局來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括在相關(guān)的熱點(diǎn)布置熱傳感器，也可以通過(guò)監(jiān)控晶體管的相關(guān)電壓和電流實(shí)現(xiàn)。另外，功放設(shè)計(jì)師和產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員還要決定是否增加足夠的半導(dǎo)體功率單元，以保證放大器能夠在很差的駐波比情況下仍可以提供足夠的前向功率，或者是允許放大器在一定駐波比下開(kāi)始回退。更多的半導(dǎo)體功率單元就意味著成本更高的放大器，市場(chǎng)上就需要一個(gè)更高的價(jià)格。

3、選擇合適的寬帶放大器

作為一個(gè)用戶(hù)，他們并不關(guān)心設(shè)計(jì)師所要面對(duì)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，只需要確保選擇一個(gè)合適的放大器來(lái)滿(mǎn)足自己的應(yīng)用。而選擇放大器時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)有很多指標(biāo)都是描述放大器性能的，用戶(hù)不僅需要考慮如輸出功率，諧波特性等技術(shù)指標(biāo)，還需要考慮搭建維護(hù)整個(gè)高功率放大器系統(tǒng)的多個(gè)重要因素。下面將會(huì)對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)討論。

3.1 放大器輸出功率

為了對(duì)比不同功放廠家的功放輸出功率指標(biāo)，通常以1dB壓縮輸出功率作為參考值。該指標(biāo)定義了放大器增益比小信號(hào)增益下降1dB時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出功率。大多數(shù)的廠家都是以某個(gè)頻段范圍內(nèi)的輸出功率來(lái)標(biāo)稱(chēng)整個(gè)放大器的輸出功率，實(shí)際上并不是在所有工作頻段上都能達(dá)到標(biāo)稱(chēng)的1dB壓縮輸出功率，一些廠家的數(shù)據(jù)表上提供的1dB壓縮輸出功率是偏低的。因此，一定要仔細(xì)對(duì)比數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)，并且弄清楚整個(gè)輸出功率曲線。

對(duì)于一些高功率發(fā)射機(jī)應(yīng)用，需要考慮整個(gè)系統(tǒng)的預(yù)算，通常情況下，天線在高頻段可以提供更大的增益，因此放大器提供較小的輸出功率就可以達(dá)到所需的場(chǎng)強(qiáng)。這樣，對(duì)于系統(tǒng)頻段上面部分購(gòu)買(mǎi)使用更小的放大器。

3.2 諧波特性

放大器的諧波抑制通常使用dBc來(lái)描述的。非常重要的是，要確認(rèn)廠家是在什么輸出功率上評(píng)估諧波抑制數(shù)據(jù)的。一般情況下是在1dB壓縮功率處，但也有一些廠家是在低的輸出功率上評(píng)估的，因?yàn)榻档洼敵龉β?，可以得到更好的諧波特性。這這種情況下，就很難知道放大器在1dB壓縮點(diǎn)時(shí)的諧波特性。不論是A類(lèi)或是AB類(lèi)放大器，一旦驅(qū)動(dòng)到1dB壓縮點(diǎn)之上，諧波特性就會(huì)以非線性的方式惡化。

另外需要考慮的是，一定要清楚自己的應(yīng)用是否對(duì)諧波特性有要求。比如說(shuō)，一般放大器的諧波抑制標(biāo)稱(chēng)值是在-20dBc左右，而實(shí)際上-15dBc就夠用了，這樣可以把放大器驅(qū)動(dòng)到更高的功率上，同樣如果需要更好的諧波特性，就要適當(dāng)?shù)慕档洼敵龉β?，或選擇功率更大的放大器。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)尋找合適的放大器時(shí)，非常關(guān)鍵的是要根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境來(lái)決定選擇集成何種放大器。對(duì)于需要集成多個(gè)頻段的，還要選擇射頻開(kāi)關(guān)，可以是在功放輸入端，或是輸出端，甚至是在功率采樣端口。一些廠家可以提供內(nèi)嵌的開(kāi)關(guān)，這樣就可以避免外部開(kāi)關(guān)，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)也可以是遠(yuǎn)程控制變得更加簡(jiǎn)單。

對(duì)于一些接收或發(fā)射系統(tǒng)的應(yīng)用，如雷達(dá)和干擾機(jī)，放大器能夠快速的靜默是非常有用的。通常要求靜默和輸出之間的切換在幾個(gè)微妙左右，而且靜默時(shí)的輸出功率要足夠的低，越接近-174dBm/Hz的熱噪聲底限越好，這就需要非常高的設(shè)計(jì)技巧，并不是所有的廠家都能實(shí)現(xiàn)的，因此需要更加嚴(yán)格的選擇放大器廠家。

進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，找到不同頻段放大器的最優(yōu)組合也是很重要的，按照長(zhǎng)期以來(lái)的一貫做法來(lái)實(shí)現(xiàn)往往不是最好的方法。最好的是深入理解系統(tǒng)的需求，知道每個(gè)頻段所需要的確切功率等級(jí)，尤其是根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需求，明確哪個(gè)頻段或是子頻段必需由一個(gè)放大模塊覆蓋。只有這樣，才能得到一個(gè)既經(jīng)濟(jì)又具有優(yōu)異技術(shù)指標(biāo)的方案

3.4 系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用

放大器系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用主要有系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間，使用和維護(hù)的成本所決定。這個(gè)費(fèi)用是放大器生命周期內(nèi)擁有成本的最主要項(xiàng)目，因此在選擇放大器的時(shí)候一定要加以考慮。

系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí)間一是取決于放大器的強(qiáng)健性，比如說(shuō)在惡劣條件下也能正常工作不故障，再者就是發(fā)生故障后的維修時(shí)間，如果放大器不能正常使用，關(guān)鍵任務(wù)可能就危險(xiǎn)了，項(xiàng)目的進(jìn)度就會(huì)延后，甚至是直接導(dǎo)致?tīng)I(yíng)收受到影響。

放大器的使用成本主要取決于功率效率，高的功率效率就代表著低的功率消耗，更少的耗散熱量，以及更少的處理散熱的成本，總之，就是更少的使用成本。因此，對(duì)于包括軍用EMC的大多數(shù)應(yīng)用，建議購(gòu)買(mǎi)高效率的放大器，尤其是需要超高輸出功率時(shí)。

為了保持長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間和低的維護(hù)成本，最好是選擇在當(dāng)?shù)赜泻芎弥С趾途S修服務(wù)的放大器廠家。現(xiàn)在的放大器都有遠(yuǎn)程控制功能，可以通過(guò)LAN 口接入進(jìn)行最初的故障定位和錯(cuò)誤分析，這個(gè)功能可以讓維護(hù)變得更加簡(jiǎn)單。

而且放大器本身設(shè)計(jì)得也更加易于維護(hù)，比如說(shuō)羅德與施瓦茨的BBA150模塊化放大器，能夠讓用戶(hù)自己在很短的時(shí)間內(nèi)更換放大器模塊。最后的建議是選擇具有工業(yè)化生產(chǎn)能力和提供服務(wù)支持文檔記錄的放大器廠家，只有這樣才能保證放大器在用過(guò)幾年之后仍舊可以得到很好的服務(wù)。

4、總結(jié)

本論文描述了寬帶功率放大器設(shè)計(jì)師在研發(fā)時(shí)面臨的挑戰(zhàn)，必須在多個(gè)相互影響的設(shè)計(jì)指標(biāo)之間進(jìn)行反復(fù)折中才能得到最優(yōu)結(jié)果。探討了A 類(lèi)和AB類(lèi)放大器之間的差別，以及熱應(yīng)力對(duì)放大器使用壽命的影響，并提出了使放大器駐波能力更加強(qiáng)健的建議。

探討了為具體應(yīng)用選擇合適的放大器時(shí)所要考慮的因素，必須仔細(xì)閱讀不同廠家產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)來(lái)進(jìn)行性能對(duì)比，進(jìn)行放大器集成時(shí)必須考慮系統(tǒng)的要求，往往可以通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)得到更加經(jīng)濟(jì)的方案。

考慮放大器系統(tǒng)總的擁有成本時(shí)，不僅要考慮最初的購(gòu)買(mǎi)成本，還要考慮放大器的強(qiáng)健性和易維護(hù)性，這樣可以最大化總的運(yùn)行時(shí)間和壽命，降低總成本。

作者：羅德與施瓦茨(中國(guó))科技有限公司 楊洪文

審核編輯：湯梓紅