C波段大功率脈沖功放設(shè)計與實現(xiàn)

熊 偉， 陳 凱， 雷 鷗

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

?

C波段大功率脈沖功放設(shè)計與實現(xiàn)

熊 偉， 陳 凱， 雷 鷗

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

作者設(shè)計與實現(xiàn)了一款C波段的微波固態(tài)大功率脈沖功率放大器，在其所需頻段內(nèi)飽和輸出功率大于140 W，發(fā)射鏈路增益高達(dá)51 dB。并介紹了該功放的主要技術(shù)指標(biāo)、特點以及原理框圖。研究了該功放的穩(wěn)定性問題，使用ADS仿真軟件對鏈路的穩(wěn)定因子與源-負(fù)載穩(wěn)定圓進(jìn)行了分析。探討了使用90°分支線的正交功率合成的方法。經(jīng)實際使用表明，該功放功率大、體積小且可靠性高。

大功率脈沖功率放大器； 雷達(dá)固態(tài)發(fā)射機； 穩(wěn)定性問題； 正交功率合成

0 引 言

固態(tài)發(fā)射機應(yīng)用于現(xiàn)代雷達(dá)已經(jīng)成為一種主流。我國自上世紀(jì)70年代開始全固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機的研制，目前固態(tài)發(fā)射機已經(jīng)趨于成熟。

固態(tài)發(fā)射機的核心部分是固態(tài)功放鏈路，而前級功率放大器位于整個鏈路的最前端。其性能好壞直接關(guān)乎整個鏈路的綜合效能。因此盡可能提高前級放大器的輸出功率,使之盡可能抵消功分網(wǎng)絡(luò)的損耗，提高后級功放的輸入功率[1-7]。

本文研制了一種工作于C波段的大功率固態(tài)脈沖功率放大器，為提高雷達(dá)前級功放輸出功率提供了一種解決途徑。

1 固態(tài)功放主要指標(biāo)與特點

固態(tài)功放主要指標(biāo)如下:固態(tài)功放的技術(shù)特點：

(1) 高功率設(shè)計。固放飽和輸出脈沖功率超過140 W，需考慮驅(qū)放鏈路分配以及功率合成問題。

(2) 高增益設(shè)計。固放增益超過51 dB，需要考慮電路的穩(wěn)定性問題,技術(shù)參數(shù)分別為:工作頻段C波段,飽和輸出功率140 W,增益51 dB,供電電壓28 V。

2 固態(tài)功放的設(shè)計

固態(tài)功放由微波電路與電源控制電路構(gòu)成。其中微波電路由微波開關(guān)、驅(qū)放鏈路、末級功放以及隔離器等組成；電源控制電路包括DC/DC轉(zhuǎn)換電路、電源調(diào)制電路等[8-9]。固態(tài)功放原理框圖如圖1所示。

圖1 固態(tài)功放原理框圖

微波信號經(jīng)開關(guān)以及驅(qū)放鏈路放大進(jìn)入末級功放。2只80 W的末級功放采用正交合成的方式獲得150 W的脈沖功率，經(jīng)隔離器損耗后輸出140 W的脈沖功率。開關(guān)置于功放鏈路的最前端，可以極大地改善脈沖波形的邊沿特性。

其中驅(qū)放鏈路將微波小信號逐級推動放大至35 W的飽和功率輸出，鏈路增益高達(dá)43 dB。末級功放采用2只80 W大功率管通過分支線電橋正交合成，輸出150 W的脈沖功率。

驅(qū)放鏈路前三級為微波單片集成電路(MMIC)，第四級為微波內(nèi)匹配功率管。MMIC具有單級增益高，穩(wěn)定性好，外圍電路少的特點，三級級聯(lián)增益高達(dá)33 dB。第四級使用內(nèi)配管，單級增益10 dB，飽和輸出功率35 W。

3.1 功放管的穩(wěn)定性分析

放大器的穩(wěn)定性設(shè)計是需要首先考慮的因素，功率放大器穩(wěn)定性及穩(wěn)定區(qū)域可以根據(jù)穩(wěn)定因子和輸入、輸出穩(wěn)定圓圖來確定。穩(wěn)定因子又稱k因子[10-11]，其公式如下：

其中:Δ=S11S22-S12S21。若在工作頻帶內(nèi)k因子均滿足大于1的條件，則放大器是絕對穩(wěn)定的；若不滿足，則需要進(jìn)一步找出放大器的不穩(wěn)定區(qū)域。根據(jù)廠商提供的功率管S參數(shù)，利用 ADS[12]中穩(wěn)定性分析軟件進(jìn)行分析，得出放大器在工作頻帶內(nèi)k因子均滿足大于1的條件，表示功率放大器是絕對穩(wěn)定的。ADS仿真放大器源-負(fù)載穩(wěn)定性分析模型、放大器穩(wěn)定因子以及源與負(fù)載穩(wěn)定性圓見圖2～4。

3.2 功率合成設(shè)計

末級功率放大采用90°分支線的方式進(jìn)行正交功率合成[13-14]。90°分支線的主要特點是在理想情況下，輸入端口的反射系數(shù)為零，而與分支線所接的兩個放大器輸入端口的反射系數(shù)無關(guān)，可以極大改善合成模塊的整體輸入駐波。90°分支線具有插入損耗小，幅度和相位一致性高的特點，從而可以提高功放的合成效率。

圖2 ADS仿真放大器源-負(fù)載的穩(wěn)定性

圖3 放大器穩(wěn)定因子

圖4 源與負(fù)載穩(wěn)定性圓

90°分支線HFSS仿真模型和仿真結(jié)果分別如圖5、圖6以及圖7所示。仿真顯示，在所需的中心頻率附近，幅度的插損均小于0.2 dB，隔離小于-20 dB。各個端口的反射在所需的窄帶范圍內(nèi)均小于-20 dB。

圖5 90°分支線HFSS仿真模型

圖6 90°分支線幅度與隔離仿真結(jié)果

圖7 90°分支線反射仿真結(jié)果

在末級功率放大中，將兩只80 W的大功率管通過90°分支線進(jìn)行功率合成，分支線的隔離端口接大功率的負(fù)載電阻吸收因兩路不平衡引起的反射功率。

3 結(jié) 果

對脈沖功放的輸出功率、增益等指標(biāo)進(jìn)行了測試，其頻帶內(nèi)的測試曲線見圖8。

圖8 固態(tài)功率放大器性能測試曲線

由圖8看出，固態(tài)功放在中心頻率±400 MHz的范圍內(nèi)，輸出功率大于140 W，增益大于51 dB，性能符合設(shè)計指標(biāo)。

4 結(jié) 語

本文充分利用GaAs固態(tài)半導(dǎo)體器件研制出C波段大功率脈沖功率放大器。隨著微波半導(dǎo)體功率器件的發(fā)展，特別是第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件GaN功率晶體管的涌現(xiàn)[15]。這使得固態(tài)功放可以具有輸出功率更高、工作頻率更高、帶寬更寬以及適合高溫工作和抗輻射能力強等優(yōu)點。本文需要重點關(guān)注、跟蹤國內(nèi)外器件的研制進(jìn)展情況，為更高性能的固態(tài)功率放大器的研制奠定基礎(chǔ)。

[1] 鄭 新，李文輝，潘厚忠.雷達(dá)發(fā)射機技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[2] 張光義，趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[3] 向敬成，張明友.雷達(dá)系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2001.

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

[5] 顧其征.微波集成電路設(shè)計[M].北京:人民郵電出版社，1978.

[6] 清華大學(xué)微帶電路編寫組[M].微帶電路.北京:人民郵電出版社，1976.

[7] 顧墨琳. 微波固態(tài)電路設(shè)計(中譯本)[M]. 南京:中國電科技集團第十四研究所，2003.

[8] 邢 靖，劉永寧. C波段固態(tài)功放設(shè)計和實驗研究[J]．現(xiàn)代雷達(dá)，2005，27(6):59-62．

[9] 王海龍，王文祥，王吉輝.L波段窄脈寬500 W固態(tài)功放組件的設(shè)計[J].電子對抗技術(shù)，2004，19(6):42-44．

[10] Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko. RF Circuit Design: Theory and Applications[M].Beijing: Publishing House of Electronics Industry，2003.

[11] 梁曉芳．X波段固態(tài)功率放大器穩(wěn)定性分析設(shè)計[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2007，29(12):98-100．

[12] 陳艷華，李朝暉，夏 瑋. ADS應(yīng)用詳解—射頻電路設(shè)計與仿真[M].北京:人民郵電出版社，2008.

[13] 張玉興，陳 會，文繼國.射頻與微帶晶體管功率放大器工程[M].北京:電子工業(yè)出版社，2013.

[14] 陳邦媛.射頻通信電路[M].北京:科學(xué)出版社， 2002.

[15] 周萬幸.寬禁帶半導(dǎo)體功率器件在現(xiàn)代雷達(dá)中的應(yīng)用[J]．現(xiàn)代雷達(dá)，2010，32(12):1-6.

歡迎訂閱中文核心期刊、中國科技核心期刊《實驗室研究與探索》雜志

Design and Realization of C-Band High-Power Pulse Power Amplifier

XIONGWei，CHENKai，LEIOu

(Shanghai Aerospace Science and Technology Institute， Shanghai 201109, China)

A C-band microwave state high-power pulse power amplifier is designed and realized. The saturated output power is more than 140 W and the gain of transmitting link reaches 51 dB in the required band. This paper introduces the main technical index, features, schematic diagram of the power amplifier．And the stability of the power amplifier is studied. The software ADS is used to analyze stability factor and source-load stability circle. The method of orthogonal power combination is also discussed. It indicates by practice that the amplifier is gained high power, small size and high reliability.

high-power pulse power amplifier； radar transmitting machine； stability； orthogonal power combination

2015-01-20

熊 偉(1981-)，男，重慶人，碩士，工程師，主要從事微波電路及雷達(dá)T/R組件的研究工作。

Tel.：13816428891；E-mail：xiongwei_20@163.com

TN 957.3

A

1006-7167(2015)10-0069-03