500W固态功放组件的设计综述

500W固态功放组件的设计综述

摘要文章简要阐述了运用NXP半导体晶体管BLF574设计VHF波段500W 功放组件的方法，运用相应的仿真软件来设计功率管的匹配电路，同时简要阐述了同轴阻抗变换线及宽带功放的设计方法；并对其进行热设计及工程实现。

关键词功放组件；同轴变换线；功率管

前言

随着科学技术的发展，雷达的发展面临着许多的威胁，比如：反辐射导弹、隐身目标、低空/超低空突防等等。为了应对这些威胁，雷达就必须采用新的技术或新的工作频段。

现代雷达为了反隐身采取了一些有效的措施，包括多/双基地雷达、相控阵雷达、超宽带雷达、激光雷达以及米波雷达等等。其中米波雷达反隐身运用最为广泛也最为有效。在米波频段，当隐身目标进入了散射的谐振区时，波长与隐身目标尺寸在同一个数量级上。由于隐身目标的入射电磁波所激励的爬行波绕射后与反射的电磁波同相叠加，使得目标的RCS值显著增加，从而更容易发现隐身目标。因此本文介绍了一种VHF波段500W固态功放组件的设计及其工程实现[1]。

1 设计参数要求

工作频率：VHF波段

工作模式：连续波、脉冲形式

工作带宽：75MHz

相对带宽：30%

输出功率：≥500W

杂散：≥55dB

脉冲形式下要求：

脉冲宽度：150 μs

占空比：10%

脉冲上升/下降沿：≤2 μs

脉冲顶降：≤12%

2 固态功放的设计过程

2.1 功放组件的设计

固态功放组件主要由高增益、500W放大单元及隔离器组成。功放组件的设计主要是500W放大单元的设计，即功率管的选取及匹配电路的设计，根据任务要求我们选取了NXP公司的LDMOS功率管BLF574，其具体技术参数如下表：

由于功放组件输出功率比较大，所以我们采用级联的方式来实现功率放大。共分为2级放大，前级高增益放大器输入为-3dBm±0.5 dB，输出为2W±0.5 dB，经过1：2分配器输出后推动末级2只BLF574功率管，放大后再由2：1合成器合成输出功率大于等于500W。其功率网络如图1所示。

2.2 BLF574功率管匹配设计

BLF574功率管匹配的设计主要是巴伦及同轴阻抗变换线的设计，由于该功率管的增益比较高，为了防止功率管之间相互干扰，我们将其中间用挡板隔离；为了保证两只功率管的工作状态尽量一致，在输出端口我们用一个电容来达到相互之间的平衡，同时在设计的时候我们也采用了负反馈的方式，来提高输出信号的稳定性。具体的匹配电路仿真结果如图2所示。

如图2所示，从BLF574功率管仿真结果可以发现在整个频带内增益都在26.5 dB以上，并且带内波动在0.5dB以内，完全符合设计时候的指标要求。在实际的电路中测试小信号下功率增益的曲线，发现增益要比仿真结果小；经过分析发现此类功率管在开启电压一定的情况下，小信号情况下增益会被压缩，但是在大信号下增益几乎完全符合仿真的结果。

（1）巴伦的设计

巴伦共分为微带巴伦、同轴巴伦和变压器巴伦三种。射频信号需要从不平衡到平衡转换时，巴伦正好满足了这样的要求。信号从不平衡到平衡转换时，巴伦的长度需要是四分之一中心频点波长的长度。但有时候为了展宽工作带宽，需要在巴伦处加入另外一条平衡线，此时这个巴伦的长度就没有长度要求，一般为八分之一中心频点波长的长度。这里我们采用的是阻抗为25Ω的四分之一中心频点长度的同轴巴伦来实现不平衡到平衡之间的转换[2]。

（2）阻抗变换线的设计

在设计电路匹配的时候，为了减小印制板的尺寸我们采用了同轴阻抗变换技术，同轴线选用25Ω的同轴线，在功率管输入端采用了9：1的同轴阻抗变换线，在功率管输出端采用了4：1的同轴阻抗变换线，具体方法如图3所示。

如图3所示，在4：1同轴阻抗变换线中两个同轴线输入端口的外导体是短路的，所以A、B端口的电压差为2V，输出C、D端口电压差为1V，从而实现了阻抗4：1的变换，同理在9：1同轴变换线中，由于上面的同轴线外导体比下面的内导体高1V，从而导致了A、B端口电压差3V，输出端口C、D电压差仍然是1V，所以实现了9：1的阻抗变换。

3 热设计

固态功放组件的关键器件就是功率管，而功率管对温度的要求非常高。功率管在工作時不停地将直流电能转化为射频能量输出，在这期间产生了大量的热量，如果这些热量不能及时地散掉，将会导致功率管的性能下降，影响其功率输出，长期这样会导致功率管损坏。考虑到功放组件的设计是为了满足野外作战需求，所以使用了强迫风冷的方式散热，风机采用大风量离心风机，功率为120W，工作电压48V。

为了满足热设计的要求，结构方面主要采取以下措施：①采用高密度、大面积的散热器。②散热器与模块外壳采用铝焊接技术，整体作为一个散热器。③功率管与铝基板之间垫上锡箔，以减少安装热阻，提高传热效果。

发射机工作时主要功率耗散的计算：

BLF574功率管最大耗散功率275W；串馈合成器最大耗散功率52W；环行器最大耗散功率117W；高增益最大耗散功率12W；50V电源最大耗散功率250W。

发射机总耗散功率为275×2+52+117+12+250=981﹝W﹞

通过功放组件的耗散功率我们可以看出选用120W大风量离心风机及风道的设计是满足设计要求的。通过工程实现，也证明了此种设计完全可以满足散热的要求。

4 试验数据

试验数据主要测试了脉冲形式下发射机的功率、雜散、脉冲前/后沿及脉冲顶降等等，具体的实验数据如下：

从所测试得出的数据可以看出该发射机各项电性能指标均达到设计时的要求。

5 结束语

文章简要阐述了VHF波段500W发射机的设计过程，目前该发射机已完成设计，各项电性能指标都能满足设计处的要求，并通过相关部门的验证，并且连续开机性能可靠。目前该发射机配合完成了整部雷达数据采集这项功能，说明本