高功率S波段LDMOS FET功率放大器的研究

摘要

固态PA具有工作电压低，小尺寸，高线性度，低噪声，高效率，寿命长以及高可靠性等优点，已经十分广泛应用在移动通信、雷达、干扰、识别等射频/微波/毫米波系统之中。 第三代移动通信(3G)技术是当前国际通信领域的热点。iSuppli在报告中预计2005年3G设备将占无线运营商资金投入的大部分，到2007年将占到100％，到2009年3G带来的市场高达380亿美元以上，具有十分广阔的市场前景[1]。3G技术需将复合调制的多载波信号发射出去，从而对RF/微波PA性能提出了更高的挑战，以满足带宽、输出功率、效率和输出失真度的应用要求。3G移动通信上行频段为1885～2025MHz(通信基站接收)，下行频段为2100～2300MHz(通信基站发送)，兼容了WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA)三大3G标准的工作频段。2.0～2.3GHz百瓦级微波固态功率放大器在民用上可用于通信发射机(WCDMA、TD-SCDMA)，远距离高容量通信基地、微波转发器等；军事上，可以以此为基础开发出S波段上的1KW～10KW连续波微波固态功率放大系统，应用于发射机。本论文重点研制百瓦级S波段高功率微波固态功率放大器。对高功率微波固态功放的关键技术如宽带匹配技术、功率合成技术进行了讨论分析。采用理论分析与射频电路仿真软件相结合的方法，设计出一个基于LDMOSFET的S波段180W两级固态功率放大模块，包括功分/合成设计考虑，180W功率放大器设计和40W驱动功率放大电路，这些工作为下一步千瓦级固态功率放大系统的设计与研制奠定了基础。 设计的末级180W功率放大器仿真结果表明在频率范围为2.0～2.3GHz，增益达到14.7dB，增益平坦度为1dB。PldB输出功率大于50dBm，功率附加效率大于45％。第一载波频率为2.13808GHz，第二载波频率为2.14192GHz，输出功率为43dBm，三阶交调系数IM3小于-43dBc，。饱和输出功率达53dBm，最大功率附加效率达60％。 设计的40W驱动功率放大器仿真结果表明在频率范围为2.0～2.3GHz频带内，PldB达46dBm，功率附加效率大于45％，功率增益是13.1dB，三阶交调系数为-45dBc，具有较好的线性性能。 设计的两级功率放大模块仿真结果表明在频率范围为2.0～2.3GHz频带内，PldB输出功率大于50dBm，功率附加效率大于50％，线性增益达到28dB以上，输出功率为40dBm时，三阶交调系数小于-43dBc。饱和输出功率最高可以达到53.6dBm，功率附加效率大于40％。 经过初步调试，40W功率放大器具有14.8dB的增益，频率范围约为1.8～2.2GHz，增益平坦度较好，性能稳定，有利于进行下一步工作。 本文针对微波固态功率放大器进行了热设计，经过研究热设计的基本原理，采用理论计算和Ansys软件仿真，提出了强迫风冷的具体热设计方案，设计出了散热能力可达1KW的散热器，进行了热阻分析，风机讨论，冷板设计及风道考虑。同时，此系统具有兼容性，通过优化，可以进一步提高散热能力，保证系统稳定工作。 本论文的主要工作在于对高功率S波段微波固态功率放大器的实现进行较为全面地研究，同时实际加工制作，装配及调试测量。这些研究工作在强辐射重点实验室还是第一次，为促进固态-真空器件技术的有机结合作了重要性起步工作。本文采用LDMOSFET，通过优化分析和设计，使功放的性能指标有了较大突破；所设计的S波段180WLDMOSFET功率放大器既能应用于3G基站，又可以作为单元功率放大模块，通过径向功率合成实现1～10KW连续波固态功率放大系统；同时提出了一种新的热设计结构，其具有一定的优越性，经过进一步优化，可以为千瓦级的功率放大系统提供散热。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章 绪论

第二章 微波固态功率放大器的设计方法

第三章 S波段固态功率放大器设计

第四章 微波固态功率放大器的热设计

第五章 试验调试及测试

第六章 结束语

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间发表的论文