X波段30W固態(tài)功率放大模塊的設(shè)計

程光偉+閆燕勤

收稿日期：2014-07-14

作者簡介：程光偉（1957—），男，遼寧本溪人，副教授，碩士，研究方現(xiàn)：通信與電子信息。

通訊聯(lián)系人，E-mail：986754337@qq.com

文章編號：1003-6199（2014）03-0069-04

摘 要：微波功率放大器的應(yīng)用范圍廣，在雷達、導(dǎo)航、通信、衛(wèi)星地面收發(fā)站、電子對抗儀器設(shè)備中不可或缺。介紹一個X波段固態(tài)功率放大器模塊的設(shè)計過程，通過ADS射頻仿真軟件根據(jù)S參數(shù)對微波固態(tài)功放模塊的偏置隔直電路以及匹配電路進行設(shè)計優(yōu)化，功率放大器經(jīng)過級聯(lián)、功率分配合成，達到設(shè)計的指標要求。

關(guān)鍵詞：微波功率放大器；X波段；偏置；匹配；功率合成

中圖分類號：TN722.7 文獻標識碼：A

Design for 30W X-band Solid State Power Amplifier Module

CHENG Guang-wei，YAN Yan-qin

（School of Electronic Information Engineering， Xian Technological University，Xian， Shanxi 710032，China）

Abstract：Microwave power amplifier is widely used and indispensable in radar， navigation， communications， satellite earth station， electronic warfare equipment . Introduce a x-band solid-state power amplifier module design process. Through the RF simulation software ADS according to the S parameters of microwave solid state power amplifier module design and optimize bias blocking circuit and matching circuit， power amplifier through synthesis of cascade， power allocation， meet the requirements of design index.

Key words：Microwave power amplifier； X-band； Bias ；Match； Power combiner

1 引 言

隨著無線電技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，無線電頻率資源被不斷地開發(fā)利用，低頻段資源匱乏的情況已經(jīng)逐漸表現(xiàn)出來。相對而言，高頻段資源有著低頻段資源無法比擬和實現(xiàn)的優(yōu)點，所以開發(fā)高頻段資源有著重要的現(xiàn)實意義。X 波段是頻率在 8～12 GHz電磁波，具有反射率強、波長短的特點，因此，X 波段的雷達在軍事和特殊用途上得到了很好的應(yīng)用，功率放大器作為雷達的關(guān)鍵部件，其功率大小、各項性能指標的好壞，直接影響到雷達的工作性能。

微波固態(tài)放大器比電真空功率放大器有顯著的優(yōu)點，包括使用平均壽命長，可靠性高，工作電壓相對低，操作安全， 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，故障軟化等?；谶@樣顯著的優(yōu)點，近年來越來越受到雷達發(fā)射機研制者和用戶的青睞。

文中設(shè)計的固態(tài)功放模塊，先經(jīng)過第一級功率放大器后進行功率分配，輸出的四路推動第二級的功率放大器，最后經(jīng)過四路合成輸出。本文設(shè)計目標為輸入9.3GHz～9.4GHz已調(diào)制低功率發(fā)射信號和功放預(yù)熱脈沖，輸出為高功率（30W）發(fā)射信號。其技術(shù)指標為：輸入頻率范圍：9.3GHz～9.4GHz；輸入脈沖功率：15dBm±3dBm；輸出脈沖功率：≥30W；增益平坦度：±1dB；輸入/輸出駐波比：≤1.3。

2 器件選擇和基材的選擇

2.1 器件的選擇

目前，由于國內(nèi)功率放大器生產(chǎn)能力、技術(shù)水平、工藝水平限制，我們所能選取的器件均來自國外公司，主要有TriQuint、Hittite、Cree、Freescale 等公司的產(chǎn)品。在選擇好設(shè)計方案以后，我們需要根據(jù)設(shè)計方案進行器件選擇，考慮到實際的性能指標需求，以及器件的使用壽命、禁運、價格等因素，經(jīng)過一系列篩選，我們選擇的功率管是Hittite 公司的器件。

第一級采用 HMC478LP5

輸出功率： Pout=2W；增益： Gain=20dB ；帶寬：：9 -12GHz；匹配阻抗 Zin/Zout=50Ω

第二級采用 HMC7149

輸出功率： Pout=10W；增益： Gain=20dB ；帶寬： 6 -18GHz；匹配阻抗 Zin/Zout=50Ω

2.2 基材的選擇

選擇基材是我們設(shè)計過程當中需要早期考慮的，選擇好基材在后面的微帶線設(shè)計的時候直接可以使用，使我們的設(shè)計變得更加可靠，同時節(jié)省資金時間。

板材選擇主要考慮的因素主要為一下幾個方面：1）相對介電常數(shù)；2）能夠使用的環(huán)境；3）損耗正切；4）厚度；5）成本。

本文設(shè)計中選用的板材是Duroid5880，為Rogers公司的板材。

表1 板材參數(shù)

如圖1所示，本次設(shè)計方案的器件和板材都選定了以后，我們根據(jù)放大器級聯(lián)設(shè)計的思路，可以論證每一級的最大輸出功率。如式（1）、（2）分別是對功放模塊的增益論證和功率論證。

Gain=20dB+20dB=40dB>30dB（1）

Pout=Psat=45dBm （2）

正如式（1）、（2）中所示，在放大器每一級推動中，第一級輸出功率最大為 33dBm，增益為 20dB，當輸入為 13dBm，既可以達到最大輸出功率，即對于HMC478LP5放大器管子而言，只要輸入達到13dBm，即可以達到最大輸出功率 2W（33 dBm），同理，對于 HMC7149 而言，輸入功率為20dBm 就可以達到最大輸出功率10W（40 dBm）。那么功率放大器每一級都推飽和的情況下，都能使功率達到最大輸出功率。

第一級15 dBm經(jīng)過第一級功放達到2W（33 dBm），進行1/4功率分配器輸出每一路理想0.5W（26.8dBm），足可以推動下一級的功放，使其達到輸出10W（40 dBm）。經(jīng)過四路合成達到46 dBm的理論值，能夠達到設(shè)計要求的30W（45dBm）。

3.1 穩(wěn)定性分析

微波功率放大器設(shè)計的首要任務(wù)就是考慮功率晶體管的穩(wěn)定性，其工作參數(shù)一定要低于最大額定參數(shù)，包括最大額定漏極電壓、最大額定柵極電壓、最大額定功耗、允許工作溫度和最大結(jié)溫等，使放大器在工作頻段內(nèi)能夠保持穩(wěn)定。如果不穩(wěn)定可能導(dǎo)致寄生振蕩，不僅使放大器的輸出信號失真影響，而且在振蕩過激會燒毀放大管。由仿真設(shè)計可以知道，所選器件是絕對穩(wěn)定，設(shè)計中不需要專門再對器件穩(wěn)定性進行設(shè)計，只需要在偏置匹配設(shè)計中保持電路的穩(wěn)定即可。

3.2 偏置保護電路的設(shè)計

偏置隔直電路在于射頻功率放大器電路設(shè)計當中占有非常重要的地位，一個好的偏置、耦合電路能夠很好地提供穩(wěn)定的電壓，設(shè)定好合適工作點，能夠很好地提高功率放大器的效率。

偏置電路設(shè)計當中，我們需要關(guān)注的問題在于高頻扼流圈（RFC）的設(shè)計。高頻扼流圈的主要作用在于，它對于高頻信號起到遏制作用，對于高頻信號呈現(xiàn)高阻抗特性，因此，RFC 的設(shè)計我們一般采用 1/4λ高阻抗線來代替電感，用扇形電容來代替集總電容元件接地。

偏置隔直電路的設(shè)計如圖2所示：

3.3 匹配電路的設(shè)計

讓微波電路和系統(tǒng)無反射、在行波或者盡量接近行波狀態(tài)的技術(shù)措施就是阻抗匹配。對于任何一個微波功率放大器設(shè)計，沒有很好阻抗匹配會使電路不穩(wěn)定，也會使電路效率降低和非線性失真增大。所以微波電路和系統(tǒng)的設(shè)計中，無論是有源還是無源網(wǎng)絡(luò)，阻抗匹配問題都是必須要考慮的。在設(shè)計功率放大器匹配電路時，匹配電路應(yīng)同時滿足阻抗匹配、小駐波比、諧波衰減、線性及實際尺寸、工作的帶寬等多項要求。

本文雖然選擇的器件是內(nèi)匹配的，但是經(jīng)過仿真之后發(fā)現(xiàn)匹配并不能達到我們的要求，所以需要進一步的設(shè)計輸入輸出匹配。

第一級功率放大器的輸如輸出匹配設(shè)計模型和仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

從圖中可以看出S11<-20dB，增益能達到20dB，駐波比VSWR1<1.3，所以匹配電路的設(shè)計符合設(shè)計的指標。

3.4 功率放大模塊整體的設(shè)計

將功率放大器建模，第一級、功分器、第二級、功率合成器整體聯(lián)合仿真，仿真模型和仿真結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可以得知，功率放大模塊符合設(shè)計指標，在9.3GHz～9.4GHz頻段輸出功率可以達到要求，各項傳輸系數(shù)和反射系數(shù)符合要求。

4 總 結(jié)

本文結(jié)合微波功率放大器的設(shè)計流程，根據(jù)設(shè)計的技術(shù)指標，選用的是砷化鎵（GaAs）和（GaN）材料的器件，采用多路功率組件合成的形式設(shè)計出有一個X波固態(tài)功率放大模塊，能夠在要求的9.3～9.4GHz的頻段內(nèi)，實現(xiàn)輸入15dBm脈沖波，輸出波功率達到30W，增益30dB，駐波比<1.3。

參考文獻

[1] 袁孝康，王仕踏，朱俊達.微帶功率晶體管放大器[M].北京：人民郵電出版社，1982.

[2] 言華. 微波固態(tài)電路[M]. 北京理工大學(xué)出版社，1995.

[3] 赫崇駿，韓永寧，袁乃昌等. 微波電路[M]. 國防科技大學(xué)出版社，1999.

[4] Vineeni，J.B.A .16 W solid state MMIC X-band amplifier for TWT replacement[J]. IEEE， 1996，2：749-752.

[5] Nai-shuo Cheng，Thal-PhuongDao.A 60-watt X-band spatially eombined solid-state amplifier[J] .IEEE MTT-S，1999，2：539-542.

[6] Zhu Jun，et， al. X-band T/R module based on GaN MMICs power amplifier[J]. APSAR，2011：1-4.

[7] 蔣廬俊.X波段固態(tài)功率放大器的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2011.

[8] 蔣擁軍.X波段大功率固態(tài)放大器設(shè)計技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2006.

[9] 張 亮.X波段脈沖功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

正如式（1）、（2）中所示，在放大器每一級推動中，第一級輸出功率最大為 33dBm，增益為 20dB，當輸入為 13dBm，既可以達到最大輸出功率，即對于HMC478LP5放大器管子而言，只要輸入達到13dBm，即可以達到最大輸出功率 2W（33 dBm），同理，對于 HMC7149 而言，輸入功率為20dBm 就可以達到最大輸出功率10W（40 dBm）。那么功率放大器每一級都推飽和的情況下，都能使功率達到最大輸出功率。

第一級15 dBm經(jīng)過第一級功放達到2W（33 dBm），進行1/4功率分配器輸出每一路理想0.5W（26.8dBm），足可以推動下一級的功放，使其達到輸出10W（40 dBm）。經(jīng)過四路合成達到46 dBm的理論值，能夠達到設(shè)計要求的30W（45dBm）。

3.1 穩(wěn)定性分析

微波功率放大器設(shè)計的首要任務(wù)就是考慮功率晶體管的穩(wěn)定性，其工作參數(shù)一定要低于最大額定參數(shù)，包括最大額定漏極電壓、最大額定柵極電壓、最大額定功耗、允許工作溫度和最大結(jié)溫等，使放大器在工作頻段內(nèi)能夠保持穩(wěn)定。如果不穩(wěn)定可能導(dǎo)致寄生振蕩，不僅使放大器的輸出信號失真影響，而且在振蕩過激會燒毀放大管。由仿真設(shè)計可以知道，所選器件是絕對穩(wěn)定，設(shè)計中不需要專門再對器件穩(wěn)定性進行設(shè)計，只需要在偏置匹配設(shè)計中保持電路的穩(wěn)定即可。

3.2 偏置保護電路的設(shè)計

偏置隔直電路在于射頻功率放大器電路設(shè)計當中占有非常重要的地位，一個好的偏置、耦合電路能夠很好地提供穩(wěn)定的電壓，設(shè)定好合適工作點，能夠很好地提高功率放大器的效率。

偏置電路設(shè)計當中，我們需要關(guān)注的問題在于高頻扼流圈（RFC）的設(shè)計。高頻扼流圈的主要作用在于，它對于高頻信號起到遏制作用，對于高頻信號呈現(xiàn)高阻抗特性，因此，RFC 的設(shè)計我們一般采用 1/4λ高阻抗線來代替電感，用扇形電容來代替集總電容元件接地。

偏置隔直電路的設(shè)計如圖2所示：

3.3 匹配電路的設(shè)計

讓微波電路和系統(tǒng)無反射、在行波或者盡量接近行波狀態(tài)的技術(shù)措施就是阻抗匹配。對于任何一個微波功率放大器設(shè)計，沒有很好阻抗匹配會使電路不穩(wěn)定，也會使電路效率降低和非線性失真增大。所以微波電路和系統(tǒng)的設(shè)計中，無論是有源還是無源網(wǎng)絡(luò)，阻抗匹配問題都是必須要考慮的。在設(shè)計功率放大器匹配電路時，匹配電路應(yīng)同時滿足阻抗匹配、小駐波比、諧波衰減、線性及實際尺寸、工作的帶寬等多項要求。

本文雖然選擇的器件是內(nèi)匹配的，但是經(jīng)過仿真之后發(fā)現(xiàn)匹配并不能達到我們的要求，所以需要進一步的設(shè)計輸入輸出匹配。

第一級功率放大器的輸如輸出匹配設(shè)計模型和仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

從圖中可以看出S11<-20dB，增益能達到20dB，駐波比VSWR1<1.3，所以匹配電路的設(shè)計符合設(shè)計的指標。

3.4 功率放大模塊整體的設(shè)計

將功率放大器建模，第一級、功分器、第二級、功率合成器整體聯(lián)合仿真，仿真模型和仿真結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可以得知，功率放大模塊符合設(shè)計指標，在9.3GHz～9.4GHz頻段輸出功率可以達到要求，各項傳輸系數(shù)和反射系數(shù)符合要求。

4 總 結(jié)

本文結(jié)合微波功率放大器的設(shè)計流程，根據(jù)設(shè)計的技術(shù)指標，選用的是砷化鎵（GaAs）和（GaN）材料的器件，采用多路功率組件合成的形式設(shè)計出有一個X波固態(tài)功率放大模塊，能夠在要求的9.3～9.4GHz的頻段內(nèi)，實現(xiàn)輸入15dBm脈沖波，輸出波功率達到30W，增益30dB，駐波比<1.3。

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[9] 張 亮.X波段脈沖功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

正如式（1）、（2）中所示，在放大器每一級推動中，第一級輸出功率最大為 33dBm，增益為 20dB，當輸入為 13dBm，既可以達到最大輸出功率，即對于HMC478LP5放大器管子而言，只要輸入達到13dBm，即可以達到最大輸出功率 2W（33 dBm），同理，對于 HMC7149 而言，輸入功率為20dBm 就可以達到最大輸出功率10W（40 dBm）。那么功率放大器每一級都推飽和的情況下，都能使功率達到最大輸出功率。

第一級15 dBm經(jīng)過第一級功放達到2W（33 dBm），進行1/4功率分配器輸出每一路理想0.5W（26.8dBm），足可以推動下一級的功放，使其達到輸出10W（40 dBm）。經(jīng)過四路合成達到46 dBm的理論值，能夠達到設(shè)計要求的30W（45dBm）。

3.1 穩(wěn)定性分析

微波功率放大器設(shè)計的首要任務(wù)就是考慮功率晶體管的穩(wěn)定性，其工作參數(shù)一定要低于最大額定參數(shù)，包括最大額定漏極電壓、最大額定柵極電壓、最大額定功耗、允許工作溫度和最大結(jié)溫等，使放大器在工作頻段內(nèi)能夠保持穩(wěn)定。如果不穩(wěn)定可能導(dǎo)致寄生振蕩，不僅使放大器的輸出信號失真影響，而且在振蕩過激會燒毀放大管。由仿真設(shè)計可以知道，所選器件是絕對穩(wěn)定，設(shè)計中不需要專門再對器件穩(wěn)定性進行設(shè)計，只需要在偏置匹配設(shè)計中保持電路的穩(wěn)定即可。

3.2 偏置保護電路的設(shè)計

偏置隔直電路在于射頻功率放大器電路設(shè)計當中占有非常重要的地位，一個好的偏置、耦合電路能夠很好地提供穩(wěn)定的電壓，設(shè)定好合適工作點，能夠很好地提高功率放大器的效率。

偏置電路設(shè)計當中，我們需要關(guān)注的問題在于高頻扼流圈（RFC）的設(shè)計。高頻扼流圈的主要作用在于，它對于高頻信號起到遏制作用，對于高頻信號呈現(xiàn)高阻抗特性，因此，RFC 的設(shè)計我們一般采用 1/4λ高阻抗線來代替電感，用扇形電容來代替集總電容元件接地。

偏置隔直電路的設(shè)計如圖2所示：

3.3 匹配電路的設(shè)計

讓微波電路和系統(tǒng)無反射、在行波或者盡量接近行波狀態(tài)的技術(shù)措施就是阻抗匹配。對于任何一個微波功率放大器設(shè)計，沒有很好阻抗匹配會使電路不穩(wěn)定，也會使電路效率降低和非線性失真增大。所以微波電路和系統(tǒng)的設(shè)計中，無論是有源還是無源網(wǎng)絡(luò)，阻抗匹配問題都是必須要考慮的。在設(shè)計功率放大器匹配電路時，匹配電路應(yīng)同時滿足阻抗匹配、小駐波比、諧波衰減、線性及實際尺寸、工作的帶寬等多項要求。

本文雖然選擇的器件是內(nèi)匹配的，但是經(jīng)過仿真之后發(fā)現(xiàn)匹配并不能達到我們的要求，所以需要進一步的設(shè)計輸入輸出匹配。

第一級功率放大器的輸如輸出匹配設(shè)計模型和仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

從圖中可以看出S11<-20dB，增益能達到20dB，駐波比VSWR1<1.3，所以匹配電路的設(shè)計符合設(shè)計的指標。

3.4 功率放大模塊整體的設(shè)計

將功率放大器建模，第一級、功分器、第二級、功率合成器整體聯(lián)合仿真，仿真模型和仿真結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可以得知，功率放大模塊符合設(shè)計指標，在9.3GHz～9.4GHz頻段輸出功率可以達到要求，各項傳輸系數(shù)和反射系數(shù)符合要求。

4 總 結(jié)

本文結(jié)合微波功率放大器的設(shè)計流程，根據(jù)設(shè)計的技術(shù)指標，選用的是砷化鎵（GaAs）和（GaN）材料的器件，采用多路功率組件合成的形式設(shè)計出有一個X波固態(tài)功率放大模塊，能夠在要求的9.3～9.4GHz的頻段內(nèi)，實現(xiàn)輸入15dBm脈沖波，輸出波功率達到30W，增益30dB，駐波比<1.3。

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[9] 張 亮.X波段脈沖功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.