S-C頻段寬帶250W功率放大器的設(shè)計

陳昱宇 劉聞 李棟

摘要 為滿足通信、電子信號系統(tǒng)對超寬帶大功率發(fā)射源的需求，研制一款工作在s-c頻段，頻率范圍覆蓋2GHz-6GHz的超寬帶功率放大器。目前該頻段單芯片最大輸出功率僅25W，故選用1 6只芯片通過由威爾金森功分器和3dB電橋組成的超寬帶低插損合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高效功率合成。經(jīng)一系列結(jié)構(gòu)、電路優(yōu)化設(shè)計后，組件最終在260*190*30mm3體積下實現(xiàn)了2GHz-6GHz范圍內(nèi)≥250W的功率輸出，功率增益≥54dB，小信號增益平坦度≤±2.5dB，電源效率≥20%，信號雜散抑制≥70dBe。

【關(guān)鍵詞】高效率 超寬帶 大功率 威爾金森功分器 高雜散抑制

本文對一款工作在S-C頻段，頻率范圍覆蓋2GHz～6GHz的250W固態(tài)功率放大器的研制進(jìn)行了總結(jié)。放大器內(nèi)部采用16只輸出功率≥25W的GaN功放芯片進(jìn)行合成，合成網(wǎng)絡(luò)由威爾金森功分器和3dB電橋組成;在功放內(nèi)部設(shè)計有多重低頻濾波網(wǎng)絡(luò)、用于改善信號雜散抑制度;通過功放內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、電路優(yōu)化，最終功放體積為260*190*30mm3。

1 驅(qū)動放大單元設(shè)計

實現(xiàn)驅(qū)動放大器的高增益指標(biāo)需采用多級放大器進(jìn)行級聯(lián)。在實際應(yīng)用條件下，因各級放大器輸入輸出駐波、傳輸介質(zhì)不連續(xù)、加工裝配、誤差等因素影響，放大器級聯(lián)后增益平坦度與理論值相比存在不同程度的惡化，尤其在寬頻帶內(nèi)，級間的反射相位有時疊加有時抵消，增大了起伏。改善放大鏈增益平坦度通常有兩種途徑：

（1）選用均衡器對增益進(jìn)行補(bǔ)償;

（2）選用增益曲線互補(bǔ)的放大器級聯(lián)。

為改善增益平坦度，驅(qū)動放大器設(shè)計時采用以下措施：

（1）在驅(qū)動放大器輸入端加Ⅱ型衰減器調(diào)節(jié)放大鏈增益和改善輸入駐波;

（2）選用三級增益曲線在2GHz-6GHz范圍內(nèi)互補(bǔ)的放大器級聯(lián);

（3）在驅(qū)動放大器級聯(lián)加入均衡器，均衡器作用為對頻率增益特性進(jìn)行糾正和降低兩級放大器間的互耦，減小模塊發(fā)生自激的可能。均衡器采用砷化鎵工藝制作，頻率覆蓋2GHz-6GHz，輸入輸出駐波比均<1.4，增益均衡量5dB。

經(jīng)增益平坦度優(yōu)化后驅(qū)動放大器理論增益≥45dB，增益平坦度≤土1 dB，小信號增益2GHz處最低，6GHz處最高，輸出功率≥40dBm。依據(jù)工程經(jīng)驗，最終驅(qū)動放大器增益平坦度≤ 土1.5 dB。

2 功率放大單元

功率放大單元由輸入功分網(wǎng)絡(luò)、輸出功率合成網(wǎng)絡(luò)和16只GaN功率放大器單片組成。

氮化鎵為第三代半導(dǎo)體材料，具有高跨導(dǎo)值、高擊穿電壓、高輸出功率密度、高輸出阻抗等優(yōu)勢，因此十分適合當(dāng)代射頻功率放大器特別是超寬帶功率放大器的設(shè)計。本功放選用的功率單片工作參數(shù)如下：在2GHz-6GHz范圍內(nèi)，飽和輸出功率蘭44dBm，功率增益≥20dB，效率≥30%。考慮合成損耗及實際應(yīng)用環(huán)境，16只功率單片合成完全可以實現(xiàn)≥250W的功率輸出。

實現(xiàn)超寬帶的功率合成，常用的合成器形式包括多階威爾金森功分器、LANGE橋、E-T結(jié)波導(dǎo)功分器等。由于工作頻率較低，工作在該頻段的波導(dǎo)尺寸較大，且寬頻段的波導(dǎo)到微帶線的轉(zhuǎn)換較復(fù)雜，不建議使用。威爾金森功分器和LANGE耦合器尺寸較小、可與其它形式的微帶電路集成在同一塊印制板上、易于調(diào)諧，成為應(yīng)用面最廣的合成方案。

3 電磁屏蔽與接地設(shè)計

由于加工誤差、裝配工藝、設(shè)計理念等影響，通常微波放大器完成封裝后，蓋板與盒體會存在一定數(shù)量的縫隙;放大器外部的接插件等都可能成為外界輻射信號的傳輸通道。切斷通道的途徑如下：

（1）有條件盡量采用激光封焊、平行封焊等可實現(xiàn)氣密的封蓋方式;

（2）對于放大器件所在腔體，采用2層甚至多層封蓋的方式;

（3）針對螺釘封蓋，盡量增加螺釘數(shù)量并優(yōu)化固定螺釘分布位置，減小蓋板形變。

實現(xiàn)良好接地的途徑包括：

（1）盡可能增大接地面積，接地面積越大，等效接觸電阻越小;

（2）要求接地面具有較高的平整度，平整度越高，等效接觸面積越大;

（3）放大器外部接插件與殼體實現(xiàn)緊密接觸，保證接地良好。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為滿足功率放大器在多種應(yīng)用場合下的適應(yīng)性，采取多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要包括外界相連的接口的優(yōu)化和與尺寸的小型化兩方面。

接口優(yōu)化措施包括：

（1）射頻接插件選用標(biāo)準(zhǔn)50歐姆阻抗SMA-K接頭，方便與各種應(yīng)用系統(tǒng)的集成;

（2）電源控制接口選用標(biāo)準(zhǔn)連接器（可依據(jù)不同系統(tǒng)的需求在J30J、J30、J14等多種標(biāo)準(zhǔn)接口間進(jìn)行選擇）;

（3）優(yōu)化接口布局，實現(xiàn)大小信號隔離、高低頻信號隔離，提高產(chǎn)品的易用性。

尺寸小型化通過功率放大單元小型化和多層電路結(jié)構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)。功率放大單元內(nèi)部元器件盡量選用MMIC;選用高介電常數(shù)的射頻板材作為微帶電路載體;選用小型化的微波接插件。通過上述措施，內(nèi)部80w功率模塊體積為70*40*12mm3。功放整體設(shè)計時采用多層電路方案。驅(qū)動放大級、功率放大單元在同一層，電源監(jiān)控單元分2到3層，避開功放內(nèi)部發(fā)熱量較大的區(qū)域，層間互聯(lián)通過小型化接插件實現(xiàn)。通過上述措施最終將功放體積控制在260*190*30mm3。

5 研制結(jié)果

功放產(chǎn)品實物照片如圖l所示。實測結(jié)果顯示：在2GHz-6GHz范圍內(nèi)，功放輸出功率≥54.5dBm（連續(xù)波）、≥55.2dBm（占空比40%）;功率增益≥56dB;小信號增益平坦度≤±2dB;電源附加效率典型值25%（最大31%），優(yōu)于設(shè)計預(yù)期。

6 總結(jié)

本文介紹了一款工作在S-C頻段，頻率范圍覆蓋2GHz-6GHz的超寬帶大功率放大器，介紹了放大器的指標(biāo)分配、電磁屏蔽與接地設(shè)計、小型化處理方法，對功分、合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了理論分析。功放最終輸出連續(xù)波功率大于250W，電源附加效率典型值25%，若后續(xù)采用更大功率的功放芯片，還可以獲得更高的功率輸出，適用于多種對大功率、超寬帶特性有較高要求的通信、電子信號系統(tǒng)。

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