一種X波段800W脈沖功率放大器的設(shè)計(jì)

陳坤

摘要：本文介紹了一種X波段800W脈沖功率放大器的設(shè)計(jì)，以砷化鎵GaAS、氮化鎵GaN功放管構(gòu)成微波固態(tài)放大鏈路，采用分支線定向耦合器進(jìn)行四路功率合成，使得放大器增益大于59dB，輸出功率大于59dBm。

關(guān)鍵詞：X波段? 脈沖調(diào)制? 功率合成? GaAS? GaN

1? 引言

在雷達(dá)系統(tǒng)中，微波功率放大器是其中不可缺少的組成部分，在雷達(dá)、衛(wèi)星、飛船、電子對(duì)抗等系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代無(wú)線通信的關(guān)鍵設(shè)備，隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，研制小型化、高功率和高可靠性的微波功率放大器，對(duì)于國(guó)防及民用需求具有重要意義。

本文介紹了一種X波段脈沖功率放大器的設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)漏方式實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)制，以GaAS、GaN功放管構(gòu)成微波固態(tài)放大鏈路，采用分支線定向耦合器進(jìn)行四路功率合成，實(shí)現(xiàn)800W的功率輸出。

2? 方案設(shè)計(jì)

2.1? 主要技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)的X波段脈沖功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)為：工作頻率9370MHz±50MHz，輸入功率0dBm，輸出功率不低于800W，上升沿不高于200ns，下降沿不高于100ns，頂降不高于10%，脈寬不高于150us，占空比不高于10%，供電電壓±15V、+11V。

2.2? 功率放大器整體設(shè)計(jì)

放大器將輸入的0dBm射頻信號(hào)放大到800W以上，即輸出功率到59dBm以上，總增益59dB以上，各級(jí)增益分配見(jiàn)圖1和表1所示。

2.3? 元器件的選型

射頻隔離器是一個(gè)有單向傳輸特性的二端口器件。在信號(hào)放大電路中，加入隔離器可以改善功率放大器及其激勵(lì)放大之間的匹配，以防止放大器自激。隔離器1工作頻率為9GHz～10GHz，插損≤0.2dB，隔離度≥20dB，承受功率10W（CW）。隔離器2工作頻率為9.25GHz～9.5GHz，插損≤0.3dB，隔離度≥20dB，承受功率100W（CW）。

限幅器一般置于射頻輸入前端，使入射功率被限制在安全的范圍之內(nèi)，以防止功率敏感器件被燒毀。限幅器工作頻率為2GHz～12GHz，插損≤0.5dB，限幅輸出功率為18dBm，最大承受功率為5W（CW）。

濾波器在電路和電子高頻系統(tǒng)中有較好的選頻濾波作用，并能抑制頻帶外無(wú)用信號(hào)及噪聲。濾波器采用腔體濾波器，通帶頻率為9320MHz～9420MHz，帶內(nèi)插損≤3.0dB，帶外抑制為：DC～9270MHz≥36dB，9470MHZ～10000MHZ≥36dB。

溫補(bǔ)衰減器為無(wú)源器件，無(wú)失真、無(wú)相移和時(shí)延，將溫補(bǔ)衰減器置于功率放大器前端，可以補(bǔ)償功放管在環(huán)境溫度下的增益不平度。溫度衰減器衰減量為2dB，負(fù)溫度系數(shù)，溫度系數(shù)為-0.005dB/dB/℃。

放大器1工作頻率為6GHz～12GHz，增益23dB，飽和輸出功率33dBm，漏極電壓為+25V，電流為100mA，柵極電壓為-2.5V。放大器2工作頻率為9GHz～11GHz，增益21dB，飽和輸出功率39dBm，漏極電壓為+9V，電流為1050mA，柵極電壓為-0.74V。放大器3工作頻率為9GHz～10GHz，增益13dB，飽和輸出功率48dBm，漏極電壓為+25V，電流為2400mA，柵極電壓為-2.6V。放大器4工作頻率為8.5GHz～9.8GHz，增益10dB，飽和輸出功率54dBm，漏極電壓為+50V，電流為11800mA，柵極電壓為-2.5V。

2.4? 分支線定向耦合器的設(shè)計(jì)

分支線定向耦合器由主線、副線及兩個(gè)耦合分支線組成，分支線的長(zhǎng)度及其間距均為中心頻率的四分之一波長(zhǎng)，分支線與主線、副線是并聯(lián)的。分支線定向耦合器工作頻率為9370MHz±50MHz，插損≤0.3dB，相位差，印制板采用Rogers5880，εr=2.2，H=0.508，T=0.035mm，仿真曲線見(jiàn)圖2所示。

2.5? 脈沖功放的調(diào)制設(shè)計(jì)

脈沖功放用于無(wú)線發(fā)射系統(tǒng)的末級(jí)功率放大，將調(diào)制脈沖信號(hào)放大到所需的幅度。在傳輸脈沖信號(hào)時(shí)，希望在無(wú)脈沖信號(hào)時(shí)，功放管不工作降低功耗，在有脈沖信號(hào)時(shí)，功放管能馬上正常工作放大信號(hào)，因此脈沖功放與連續(xù)波功放相比，多了上升沿與下降沿的要求。脈沖功放的調(diào)制一般有調(diào)柵和調(diào)漏兩種方式。

柵極調(diào)制：功率管可以通過(guò)改變柵極電壓使其功率管的漏電流夾斷，此時(shí)功率管處于非工作狀態(tài)，通過(guò)柵極電壓的快速改變（從工作態(tài)到非工作態(tài)）實(shí)現(xiàn)功放的調(diào)制。由于功率管的柵極電流一般在10mA以下，電流比較小，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路比較容易處理，通過(guò)合適的電路設(shè)計(jì)便可以得到很快的上升沿和下降沿。但柵極調(diào)制也有相當(dāng)大的弊端，即當(dāng)柵極進(jìn)入截止區(qū)后，如果電路設(shè)計(jì)不合理，很容易使功放管進(jìn)入擊穿區(qū)，從而使功率管擊穿而損壞。

漏極調(diào)制：通過(guò)改變功率管的漏極電壓，從0V（非工作狀態(tài)）到正常工作電壓VDS（工作狀態(tài)）的快速變化，從而實(shí)現(xiàn)功放的調(diào)制，漏極調(diào)制相對(duì)于柵極調(diào)制更安全，但功率管在工作狀態(tài)一般有較大的電流，幾安培甚至幾十安培，當(dāng)電流較大時(shí)，瞬間將功放管電壓提高到功率管正常工作電壓VDS需要相當(dāng)?shù)臅r(shí)間，加電瞬間功率器件相當(dāng)于非常大的電容，而給電容充電到VDS需要時(shí)間，從而增加功放上升沿、下降沿的時(shí)間。

本文功放設(shè)計(jì)采用漏極調(diào)制方式，在功放管漏極供電電壓上加入高Q、高容值大電容，該電容能進(jìn)行預(yù)先儲(chǔ)能，當(dāng)漏極電壓從0V到VDS快速變化時(shí)，能縮短時(shí)間，從而減小功放上升沿、下降沿的時(shí)間。漏極調(diào)制原理圖見(jiàn)圖3所示。

2.6? 供電設(shè)計(jì)

功放供電電壓±15V、+11V，±15V主要給開(kāi)關(guān)、控制器件、功放管柵極進(jìn)行供電，+11V主要給功放管漏極供電。功放管漏極電壓為+25V、+9V、+50V，其中+25V、+50V需進(jìn)行DC/DC升壓處理，+9V需進(jìn)行降壓處理，DC/DC電源模塊選擇NiQor公司NQ60W60QTX25型號(hào)，輸入電壓范圍9V～60V，輸出電壓范圍0V～60V，平均電流20A。

3? 結(jié)論

本文采用漏極調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)功放脈沖控制，以獲取較低的上升沿、下降沿，同時(shí)通過(guò)分支線定向耦合器實(shí)現(xiàn)X波段功率合成技術(shù)，使功放增益大于59dB，輸出功率在800W以上。

參考文獻(xiàn)

【1】微波集成電路設(shè)計(jì).顧其諍.項(xiàng)家楨.彭孝康 .人民郵電出版社

【2】射頻與微波功率放大器設(shè)計(jì).張玉興.趙宏飛譯.電子工業(yè)出版社

【3】微波電子線路.雷振亞.謝擁軍.西安電子科技大學(xué)出版社