SiC宽带功率放大器模块设计分析

　　0 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。

　　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。