【導(dǎo)讀】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，工程師需要在多個相互對立的設(shè)計(jì)參數(shù)之間進(jìn)行折中。對于一個放大器用戶來說，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)。對于具體的應(yīng)用，還會給出建議來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)者需要滿足多種設(shè)計(jì)需求，例如，對許多應(yīng)用來說，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，對于雷達(dá)，軍用發(fā)射機(jī)等非廣播電視的應(yīng)用來講，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，待測設(shè)備本身的反射等原因造成的。對于這些應(yīng)用，放大器的強(qiáng)健性，也就是說不易損壞就變得異常重要了。由于放大器損壞導(dǎo)致的不可測量，就意味著工程會面臨嚴(yán)重且昂貴的延誤，甚至實(shí)驗(yàn)室的收益也會受到損失等。
從商業(yè)的角度來講，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，對于超大功率的寬帶放大器來說，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此進(jìn)行詳細(xì)討論。
當(dāng)為某一個特定應(yīng)用尋找放大器的時候，最重要的是能都解釋清楚數(shù)據(jù)表中的各個參數(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，工程師需要對帶寬 ，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，對于給定的晶體管類型來說，設(shè)計(jì)的帶寬增加，能夠得到的輸出功率就會減小。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，功率合成電路就會變得更加困難。同時，功放管的使用壽命非常依賴于放大器的散熱設(shè)計(jì)和功放管外圍的保護(hù)電路。
對于A類 放大器，晶體管通常偏置在一個較大的靜態(tài)電流上，這樣可以得到一個非常線性的放大特性，但是卻要承受差的功率效率，并對晶體管帶來很大的散熱壓力。AB類放大器相比A類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)來進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。
為了更好的理解熱應(yīng)力對晶體管使用壽命的影響，我們可以以典型LDMOS晶體管的結(jié)溫行為特性來說明，如圖1所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所說，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)更加高效的熱沉來處理功放管耗散出來的大量熱能。對于A類放大器來說，這通常是難以實(shí)現(xiàn)的，需要更多的晶體管，并降低每個晶體管的最大功率輸出，來處理散熱難題。即使這樣，A類放大器在沒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，使用壽命就會大大減少。
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
對于一些應(yīng)用來說，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測試。圖2 顯示的是在一個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。可以看出，需要不同的功率輸出來達(dá)到相應(yīng)的場強(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類放大器相比A類放大器具有更好的效率，晶體管更低的結(jié)溫可以帶來更長的使用壽命。
圖2、在EMS 測試中，為達(dá)到200伏/米的場強(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型，高的駐波比也會對晶體管帶來額外的壓力。因?yàn)榉瓷浠貋淼纳漕l功率也會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，這可以通過散熱系統(tǒng)合理的布局來實(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，市場上就需要一個更高的價格。
3、選擇合適的寬帶放大器
作為一個用戶，他們并不關(guān)心設(shè)計(jì)師所要面對的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，只需要確保選擇一個合適的放大器來滿足自己的應(yīng)用。而選擇放大器時，會發(fā)現(xiàn)有很多指標(biāo)都是描述放大器性能的，用戶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)整個高功率放大器系統(tǒng)的多個重要因素。下面將會對此進(jìn)行詳細(xì)討論。
3.1 放大器輸出功率
為了對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增益下降1dB時對應(yīng)的輸出功率。大多數(shù)的廠家都是以某個頻段范圍內(nèi)的輸出功率來標(biāo)稱整個放大器的輸出功率，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)對比數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)，并且弄清楚整個輸出功率曲線。
對于一些高功率發(fā)射機(jī)應(yīng)用，需要考慮整個系統(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)到所需的場強(qiáng)。這樣，對于系統(tǒng)頻段上面部分購買使用更小的放大器。
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)時的諧波特性。不論是A類或是AB類放大器，一旦驅(qū)動到1dB壓縮點(diǎn)之上，諧波特性就會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)用是否對諧波特性有要求。比如說，一般放大器的諧波抑制標(biāo)稱值是在-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剩蜻x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，非常關(guān)鍵的是要根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境來決定選擇集成何種放大器。對于需要集成多個頻段的，還要選擇射頻開關(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)嵌的開關(guān)，這樣就可以避免外部開關(guān)，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，同時也可以是遠(yuǎn)程控制變得更加簡單。
對于一些接收或發(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微妙左右，而且靜默時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，按照長期以來的一貫做法來實(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，知道每個頻段所需要的確切功率等級，尤其是根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需求，明確哪個頻段或是子頻段必需由一個放大模塊覆蓋。只有這樣，才能得到一個既經(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)營費(fèi)用
放大器系統(tǒng)的運(yùn)營費(fèi)用主要有系統(tǒng)正常運(yùn)行時間，使用和維護(hù)的成本所決定。這個費(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候一定要加以考慮。
系統(tǒng)的正常運(yùn)行時間一是取決于放大器的強(qiáng)健性，比如說在惡劣條件下也能正常工作不故障，再者就是發(fā)生故障后的維修時間，如果放大器不能正常使用，關(guān)鍵任務(wù)可能就危險了，項(xiàng)目的進(jìn)度就會延后，甚至是直接導(dǎo)致營收受到影響。
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，對于包括軍用EMC的大多數(shù)應(yīng)用，建議購買高效率的放大器，尤其是需要超高輸出功率時。
為了保持長的運(yùn)行時間和低的維護(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?，F(xiàn)在的放大器都有遠(yuǎn)程控制功能，可以通過LAN 口接入進(jìn)行最初的故障定位和錯誤分析，這個功能可以讓維護(hù)變得更加簡單。
而且放大器本身設(shè)計(jì)得也更加易于維護(hù)，比如說羅德與施瓦茨的BBA150模塊化放大器，能夠讓用戶自己在很短的時間內(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)時面臨的挑戰(zhàn)，必須在多個相互影響的設(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 類和AB類放大器之間的差別，以及熱應(yīng)力對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)手冊來進(jìn)行性能對比，進(jìn)行放大器集成時必須考慮系統(tǒng)的要求，往往可以通過優(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，不僅要考慮最初的購買成本，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)行時間和壽命，降低總成本。
作者：羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司 楊洪文
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