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澳门新葡亰8814:利用SiC宽禁带功率器件设计宽带高功率放大器的流程概述



小序

跟着今世技巧的成长, 功率放大年夜器已成为无线通信系统中一个弗成或缺的部分, 分外是宽带大年夜功率孕育发生技巧已成为今世通信抗衡的关键技巧。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、高饱和电子漂移速度、化学机能稳定以及抗辐射等优点, 分外得当制造高温、高频、高功率和抗辐射的功率器件。用宽禁带半导系统体例成的高温、高频和大年夜功率微波器件可以显着改良雷达、电子抗衡系统以及通信系统等浩繁电子信息系统的机能。已有文献报道采纳SiC 功率器件制作了宽带脉冲功率放大年夜器, 并进行了机能测试和情况试验, 证明了SiC 功率器件靠得住性较高、情况适应能力较强等特征。

使用SiC 宽禁带功率器件设计实现了宽带高功率放大年夜器, 事情频率带宽500~ 2 000 MHz, 输出功率跨越100 W, 经由过程对放大年夜器进行机能测试, 发明SiC宽禁带功率器件具有事情频带宽的上风。测试结果注解使用该措施设计宽带功率放大年夜器是可行的, SiC 宽禁带功率器件具有较宽的事情带宽。

1 设计规划

SiC 宽禁带功率器件具有高功率、宽频带和耐高温的特征。CREE 公司临盆的SiC 器件对照成熟,器件机能较好。是以, 选用了CREE 公司2 种商用功率器件, 其功率量级分手为10 W 和50 W, 其型号分手为CRF24010 和CRF24060, 机能指标如表1所示。

该功率放大年夜器模块采纳了2 组电源电压分手为+ 12 V 和+ 48 V, 前级勉励功率采纳GaAs 电路实现, 末级选用SiC 微波功率晶体管进行功率放大年夜。

根据技巧指标要求, 选用5 级放大年夜电路实现增益和功率电等分配。前级GaAs 单元电路为2 级放大年夜:

第1 级采纳HE641D 集成功率放大年夜器, 增益25 dB,输出功率25 dBm, 第2 级采纳FLL177ME 功率管, 增益8 dB, 输出功率32.澳门新葡亰8814 5 dBm( @f = 2. 3 GHz) ; SiC 单元电路采纳3 级放大年夜链路, 由GaAs 单元电路勉励旌旗灯号经第3 级CRF24010 的10 W 的SiC 放大年夜器进行放大年夜, 再颠末第4 级CRF24060 SiC 放大年夜器放大年夜, 输出澳门新葡亰8814的射频能量颠末4 路功率分配器后分手推动4 只50 W的SiC 放大年夜器再次放大年夜, 着末再由4 路功率合成器功率合成后获得大年夜于100 W 的继续波功率。

研制的功率放大年夜器模块是为了满意某工程必要。事情频率:500~ 2000 MHz,继续波输出功率:≥100 W, 总增益≥50 dB, 杂波抑制: ≤ - 60 dBc; 事情温度:- 10~ + 50℃ 。

2 放大年夜器优化设计步骤

放大年夜器级设计要兼顾宽带放大年夜器和功率放大年夜器2 个方面的设计要求: 宽带放大年夜器设计必要特有的拓扑布局、宽带匹配收集和宽带偏置收集; 而功率放大年夜器则必要特有的拓扑布局、大年夜旌旗灯号下的输入输出阻抗、正确的非线性模型和散热等。每个零丁的问题都相对轻易办理, 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, 每个环节的设澳门新葡亰8814计都是伟大年夜的寻衅。根据总体的设计要求, 放大年夜器设计分为2 个部分: 驱动级部分和末级功率级部分, 因为HE641D 为集成功率放大年夜器, 不必要匹配收集, 以是在优化设计历程中没有斟酌在内。

驱动级部分包括FLL177ME、CRF24010 和CRF24060三级功率放大年夜; 末级功率级部分主如果4 只CRF24060 功率合成。

2. 1 驱动级设计

因为FLL177ME 功率管只有小旌旗灯号S 参数, 而CRF24010 和CRF24060 有正确的大年夜旌旗灯号模型, 以是驱动级设计采纳整体设计和单管自力设计再串联的综合设计措施, 对FLL177ME 功率管采纳小旌旗灯号参数模拟措施, 对SiC MESFET 功率管CRF24010 和CRF24060 使用正确的非线性模型, 采纳整体设计,经由过程ADS 设计软件, 运用小旌旗灯号折衷波平衡仿真措施对设计电路进行优化。在软件中建立收集拓扑模型是宽带放大年夜器设计的关键, FLL177ME 功率管放大年夜器CAD 设计电路道理澳门新葡亰8814图如图1 所示。

在对功率管CRF24010 和CRF24060 整体电路设计中, 综合斟酌功率管间的参数匹配, 充分使用器件之间的参数耦合增补单器件机能的不够, 从而得到较高的整体机能。为了办理放大年夜器的功率增益随频率升高而下降的问题, 采取“补偿匹配技巧”, 适当地使输入和输出匹配收集掉配, 从而补偿正向增益| S21| 随频率的变更。CRF24010 和CRF24060 功率管级联CAD 设计电路道理图如图2 所示。

负反馈是改良放大年夜器带宽的有效步伐之一。因为微波管增益随频率升高而下降, 采纳负反馈可以低落频率低端增益, 改良增益平坦度, 减小晶体管参数的离散性对放大年夜器特点的影响。F177ME 和CRF24010 功率管采纳负反馈技巧来展宽放大年夜器的带宽, 得到平坦的增益, 低落输入输出驻波比。采纳电容电阻串联的负反馈要领可以大年夜大年夜增添稳定性,削减噪声丧掉, 并且可以改良系统增益的平坦度。

2. 2 功率级设计

功率级经由过程3 dB 电桥进行4 路CRF24060 功率合成, 设计的重点是CRF24060 单管放大年夜器输出功率的设计。设计功率放大年夜器完全不合于小旌旗灯号放大年夜器的设计, 其输出电路首先要满意高的集电极效率和足够的饱和输出功率, 要在输出功率和增益之间合理设计, 将同时满意功率输出和增益要求的输出负载作为功率管的输出阻抗精心设计。因为功率管的增益随频率升高而下降, 且每个倍频程增益下降约6 dB, 是以, 输入匹配电路要采纳衰减—— 频率特点具有必然斜率的收集, 使匹配收集在频率低落时孕育发生掉配, 而且由掉配孕育发生的衰减要近似按每倍频程6 dB的规律增大年夜, 从而抵消功率管增益变更的影响,包管放大年夜器功率增益的平坦性和输出功率的带内起伏小。CRF24060 功率管的电路拓扑如图3 所示。

图3 CRF24060 电路拓扑

采纳微波CAD 软件ADS 对电路拓扑布局进行优化, 主要经由过程谐波平衡仿真的措施对输出功率折衷波等大年夜旌旗灯号进行仿真优化。

2. 3 偏置电路设计

在射频放大年夜电路的设计中, 轻易漠视直流偏置电路的设计。假如直流偏置电路设计欠妥, 会影响射频放大年夜电路的功率增益和噪声系数, 以致会导致放大年夜电路的不稳定。平日根据特定电路的必要进行有针对性的偏置电路的设计。在直流偏置电路的设计中, 电路的稳定性是一个异常紧张的指标。

偏置电路影响放大年夜器的频响特点和稳定性, 以是设计时必须仔细斟酌。在高频段, 偏置电路对功率放大年夜器的匹配收集有很大年夜影响, 应作为匹配电路的一部分来斟酌。在CAD 仿真历程中, 偏置电路一并进行仿真, 达到在事情频段内隔离直流和射频旌旗灯号的感化, 在不影响匹配的环境下, 滤除功率器件的各类杂散旌旗灯号。

在前面设计的匹配电路的根基上, 使用ADS 软件对全部电路进行级联仿真和优化, 小旌旗灯号增益仿真结果如图4 所示。

图4 增益仿真与测试结果

3 模块制作与测试

基板材料采纳CER- 10 板材, 介电常数9. 8, 厚度1. 19 mm。在疆土大年夜小和损耗容许的环境下, 基板厚度增添, 可以避免PCB 板弯曲。微带传输线的宽度及离地的间隔应严格按照ADS 谋略的结果铺澳门新葡亰8814设。根据以上措施, 设计制作了宽带功率放大年夜器模块, 制作出电路后, 必要放大年夜器模块进行调试, 反复的调试事情是功率放大年夜器设计完成的包管, 系统仿真并不能替代功率放大年夜器的调试事情。颠末调试后, 对宽功率放大年夜器模块主要机能指标进行了测试,常温下测试结果如表2 所示, 增益测试曲线如图4所示。为了满意工程情况要求, 对其做了输出功率上下温试验, 上下温试验结果如表3 所示。

4 测试结果阐发

采纳4 只CRF24060 SiC 宽禁带功率器件合成出了100 W 以上功率放大年夜器, 事情范围达到了500~2 000 MHz, 成功实现了多倍频程事情带宽, 表现出SiC 宽禁带功率器件输入、输出特点阻抗较高, 对照轻易实现宽带电路匹配, 得当宽频带事情。从图4增益仿真与测试结果比较可以看出存在必然差异,分外是在频率高端, 主如果因为仿真模型的抱负化与实际电路存在损耗及加工制作偏差等缘故原由所致,但测试结果满意工程必要的各项指标要求, 证清楚明了设计措施的可行性。

SiC 宽禁带功率器件的事情电压为48 V, 事情时漏极电流较小( 1. 0 A 阁下) 。SiC 宽禁带功率器件具有高事情电压、小事情电流的特征。减小事情电流, 在工程中可以减小因为电源供电带来的损耗,前进电源供电效率。

从上下温试验结果看, 输出功率较常温下有所下降, 高温事情时, SiC 功率器件输出功率随情况温度升高而减小的速率约为- 0. 05 dB/ 10 。可见,利用宽禁带功率器件可以前进功率放大年夜器的情况适应能力, 使放大年夜器可以在高温、温度变更大年夜的情况中事情。

5 停止语

使用SiC 宽禁带功率器件结合GaAs 功率器件设计制作了500~ 2 000 MHz 波段宽带功率放大年夜器,满意工程必要的各项指标, 证明了ADS 设计软件能够前进设计效率, 表现出SiC 宽禁带功率器件事情带宽较宽、增益带宽积指标较好、靠得住性较高和情况适应能力较强等特征, 可以利用到实际的工程中。

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