C波段固態(tài)功率放大器的分析與研究

王秀軍

摘 要：文章首先簡要介紹了C波段固態(tài)功率放大器，在此基礎(chǔ)上對C波段固態(tài)功率放大器的設(shè)計進(jìn)行論述。期望本文的研究能夠?qū)波段固態(tài)功率放大器的推廣應(yīng)用有所幫助。

關(guān)鍵詞：C波段；功率放大器；晶體管

1 C波段固態(tài)功率放大器簡介

C波段是一個頻率介乎于4.0～8.0 GHz的頻帶，是通信衛(wèi)星下行傳輸信號的頻段。由于在陰雨天氣中，C波段不會出現(xiàn)雨衰現(xiàn)象，故此，其在衛(wèi)星電視廣播中得到了廣泛應(yīng)用。固態(tài)功率放大器的工作原理如下：其是由調(diào)制機(jī)或收信機(jī)傳送過來的中頻已調(diào)信號，經(jīng)過發(fā)信機(jī)中頻放大器后，送至發(fā)信混頻器，再經(jīng)過發(fā)混頻，將中頻已調(diào)信號轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉ㄒ颜{(diào)信號，由單向器去除混頻后的一個邊帶，既可以是上邊帶，也可以是下邊帶，最后由功率放大器將微波已調(diào)信號放大至額定電平，經(jīng)分路濾波器傳送給天線。放大器的工作類型主要取決于其性能，不同的工作地點決定了放大器的不同工作狀態(tài)，具體可分為3類：（1）A類，在這種工作狀態(tài)下，放大器處于零輸入響應(yīng)時，仍會存在一定程度的功率消耗，從而使其效率偏低，約為實際工作時的30%，甚至更低。（2）B類，信號為半周期導(dǎo)通，從理論的角度上講，其效率能夠達(dá)到70%左右，可借助推挽電路提高輸出功率，隨著該電路的加入，放大器可在較大的線性范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的運行狀態(tài)。（3）C類，功率增益低是其最為主要的特點，在零輸入響應(yīng)狀態(tài)下，放大器為非導(dǎo)通狀態(tài)。C類是3種類型中效率最高的一類[1]。

2 C波段固態(tài)功率放大器的設(shè)計

2.1 技術(shù)指標(biāo)

按照放大器的使用環(huán)境與具體用途，本次需要設(shè)計兩種不同功率的放大器，關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2.2 器件的選擇

為使設(shè)計出來的放大器能夠用于雷達(dá)發(fā)射機(jī)，所選的晶體管應(yīng)當(dāng)能夠在特定頻率上保持高效的工作狀態(tài)，并提供一定的功率增益和散熱的特性，從而確保放大器的運行可靠性。然而，目前并沒有一種晶體管可以普遍適用，在全固態(tài)發(fā)射機(jī)中常用的微波功率晶體管有兩類：（1）硅微波雙極晶體管。（2）GaAs場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor，F(xiàn)ET）。在GaAs中，電子的運動速度約為硅材料的兩倍，由此使其能夠在毫米波頻率上工作。不僅如此，GaAs可與無源電路進(jìn)行集成，這一點對于放大器的設(shè)計至關(guān)重要。按照本次的設(shè)計要求，將GaAs MESFET作為首選器件，其歸屬于A類的范疇，因此只需要加直流電源便可使其處于連續(xù)波的工作狀態(tài)，由此可以滿足不同脈沖形式的應(yīng)用需要。在此需要闡明的一點是，若是功率器件處于連續(xù)波的工作條件，會對電源功率造成耗費，而采用GaAs進(jìn)行供電，可以提高效率。因本次設(shè)計選擇了內(nèi)匹配晶體管，所以不需要輸入和輸出匹配電路設(shè)計，從而使電路設(shè)計得以簡化。在對阻抗50 Ω線的設(shè)計中，需要對如下兩點加以注意：（1）由于該線上并不存在功率敏感點，故此不需要優(yōu)化。（2）為與隔離器的尺寸進(jìn)行配合，阻抗50 Ω線盡可能不要拐彎，這樣可以避免天線效應(yīng)的產(chǎn)生[2]。

2.3 功率放大器的構(gòu)成

本次設(shè)計中，30 W的放大器采用的冷卻方式為風(fēng)冷，300 W為水冷，均為全固態(tài)體制，通過高功率合成技術(shù)，可將多個功率放大器進(jìn)行外部合成，由此便可組成不同功率電平的發(fā)射機(jī)。

2.4 偏置電路設(shè)計

在放大器設(shè)計中，一些設(shè)計人員在解決穩(wěn)定性和頻譜方面常常會耗費大量的時間，導(dǎo)致這一問題的主要原因是偏置電路設(shè)計得不好。鑒于本次設(shè)計中選用的GaAs FET采用柵極電壓對漏極電流進(jìn)行控制，如果跨導(dǎo)越大，柵極偏壓對漏極電流的影響就越大，在這一前提，產(chǎn)生自激的可能性也會隨之增大，因此，偏置電路設(shè)計質(zhì)量優(yōu)劣直接關(guān)系到功率放大器的性能好壞。在該電路的設(shè)計中，主要包括兩個方面，一方面是柵極偏置電路，另一方面是漏極饋電電路。

2.4.1 柵極偏置電路

在該電路的設(shè)計中，柵極電阻的取值是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，若是取值不當(dāng)，會對功率放大器的工作穩(wěn)定性造成影響。由于這個電阻可能并不是直接與器件柵極相連接的電阻，加之每個器件的柵極電阻均有所不同，有些器件可以通過廠家的產(chǎn)品說明書查到，對于無法查到的柵極電阻，則可用下式進(jìn)行計算：

柵極電阻=400/Psat （1）

在上述當(dāng)中，柵極電阻的單位是Ω，Psat代表器件的飽和輸出功率，單位：W。該公式可對工作電壓Vds為9～12 V的器件所需的柵極電阻進(jìn)行計算。

2.4.2 漏極饋電電路

當(dāng)該電路作為匹配電路的一部分時，假設(shè)其阻抗為低損耗，其均為器件提供偏置，那么該電路的特性阻抗則為無窮大。為使功率放大的運行穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提升，可在該電路中引入一個去耦電容和有耗元件。同時，為減小饋電電路的直流壓降，微帶線的寬度應(yīng)越寬越好，且阻抗應(yīng)與放大器的工作帶寬匹配。如果選用1/4波長低阻開路時，由于輸入阻抗在工作頻率上為零，所以可以少設(shè)置一個電容。在設(shè)計時，需要注意的一點是，漏極偏置電路域匹配電路之間的連接點應(yīng)與晶體管的漏極靠得越近越好，這樣能夠使放大器的效率獲得提升。

2.4.3 偏置電路設(shè)計

在本次設(shè)計中，30 W放大器選用的是微波介質(zhì)板，其基片厚度為0.508×10-3 m，導(dǎo)熱系數(shù)為0.20 W，板的導(dǎo)體厚度為3.5×10-5 m，該放大器中最大功率的末級GaAs高阻微帶線的平均電流為1.8 A。經(jīng)過計算，在30 W放大器中，選用線寬為0.5 mm的高阻線不會燒斷，但是為預(yù)留出一部分設(shè)計余量，最終決定選用0.6 mm的線寬。300 W放大器，因其末級管的高阻微帶線平均電流為3 A，所以高阻線的線寬選用0.9 mm[3]。

2.5 電源調(diào)制電路

為確保電源在沒有激勵信號時，電流處于較低的狀態(tài)，需要對電源進(jìn)行調(diào)制，以此來提高功率放大器的效率。目前，比較常用的電源調(diào)制方法有兩種：一種是柵極調(diào)制，另一種是漏極調(diào)制。endprint

2.5.1 柵極調(diào)制

這種調(diào)制方法具體是指柵極電壓保持在﹣1.3～﹣3 V之間變化，漏極電壓保持不變，這樣可以使GaAs實現(xiàn)C類工作方式，由此能夠使工作效率獲得大幅度提升。

2.5.2 漏極調(diào)制

這種調(diào)制方法是在保持GaAs柵極電壓不變的前提下，對漏極電壓進(jìn)行調(diào)制，并保證在無柵極電壓的前提下，漏壓無法加到功率管上。經(jīng)過對比之后，本次設(shè)計決定采用漏極調(diào)制作為電源的調(diào)制方式。

2.6 隔直電路

該單路的主要作用是將加到放大器功率管上的直流電源與輸入輸出端口隔離開。通常情況下，處于輸出電路當(dāng)中的隔直元件應(yīng)當(dāng)具備如下特性：低損耗、高功率，同時，對應(yīng)不同的頻率應(yīng)采用不同類型的隔直元件。在微波段上，在對多層電容進(jìn)行焊接時，會因為焊點的影響，導(dǎo)致插損過大，為使這部分損耗有所減小，可在設(shè)計時，選用單層陶瓷電容。

2.7 功率合成器

在C波段的范圍內(nèi)，如果想要達(dá)到300 W的輸出功率，放大器需要采用8管合成的設(shè)計方式，但是，由于連續(xù)波會產(chǎn)生一定的損耗，并且這部分損耗會對微帶線的耐功率造成影響。因此，在本次設(shè)計中，采用了如下設(shè)計方法：先分4路微帶合成，然后借助波導(dǎo)同軸合成器進(jìn)行合成。

2.8 匹配電路設(shè)計

該電路最為重要的作用是對功率管的輸出和輸入阻抗進(jìn)行統(tǒng)一，使其達(dá)到50 Ω電阻值要求。通常情況下，功率管在封裝時會完成一定的匹配處理，但這個處理程度卻無法滿足實際的設(shè)計開發(fā)需要。所以應(yīng)對匹配電路的設(shè)計予以重視。對于匹配電路而言，其應(yīng)當(dāng)在線性度等方面有比較出色的表現(xiàn)，這就要求設(shè)計人員在設(shè)計的過程中，應(yīng)當(dāng)有側(cè)重點。最為簡單的匹配方式為L形匹配網(wǎng)絡(luò)，其在設(shè)計時只需要使用一種電抗元件，正因如此，匹配電路整體配置變得更加簡單，同時，這種匹配形式的電路種類多達(dá)8種。按照濾波的特性差異，可將L形匹配網(wǎng)絡(luò)分為高通濾波和低通濾波兩種結(jié)構(gòu)類型，若是帶有外存諧波，后級濾波器能夠?qū)χC波起到有效的抑制作用。在工頻提升和工作波長減少的前提條件下，分立元件的寄生參數(shù)將會隨之獲得大幅度提升，由此會對系統(tǒng)的性能造成一定程度的影響，對此，可以在匹配電路設(shè)計中，對分布參數(shù)的微帶線結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理應(yīng)用。

2.9 放大器的電磁兼容設(shè)計

在本次設(shè)計中，功率放大器外殼的材質(zhì)為鋁合金，上下兩層結(jié)構(gòu)，其中上層安裝的是低頻電路，下層安裝的是射頻放大電路腔體，這樣兩種不同類型的電路之間可以得到有效的隔離，從而避免了相互之間的電磁干擾[4]。

3 結(jié)語

綜上所述，C波段固態(tài)功率放大器是一類較為復(fù)雜的器件，其中所涉及的技術(shù)較多，為使該器件的功能和作用得以最大限度地發(fā)揮，應(yīng)當(dāng)了解并掌握其基本特性，并在設(shè)計的過程中，對相關(guān)電路的設(shè)計予以重視，從而使之滿足實際應(yīng)用需要。在未來一段時期，應(yīng)加大對C波段固態(tài)功率放大器相關(guān)方面的研究力度，從而使其能夠在更多領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

[參考文獻(xiàn)]

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[3]楊作成，李楠，孟旭東.Ku波段波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成功率放大器[J].通訊世界，2015（1）：23-24.

[4]梁勤金，梁璐，陳世韜，等.C波段GaN固態(tài)功放及其功率合成器研制[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2013（11）：142-143.

Abstract：In this paper， the C-band solid state power amplifier is briefly introduced. Based on this， the design of C-band solid state power amplifier is discussed. It is hoped that the research in this paper can be helpful for the popularization and application of C-band solid state power amplifier.

Key words：C-band； power amplifier； transistorendprint