小型化高功率微波功率放大器的實(shí)現(xiàn)

張東

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北省石家莊市 050000）

高功率微波功率放大器在雷達(dá)、通信等領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用[1]。我國(guó)在微波功率放大器的研究上較歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家更晚，例如日本的富士通、三菱電機(jī)等公司研發(fā)出的放大器芯片較國(guó)產(chǎn)相比整體性能更高、輸出的功率更大[2]，在2017年由José Antonio 等人提出的12 路波導(dǎo)微帶探針鏈?zhǔn)胶铣删W(wǎng)絡(luò)有著結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的特點(diǎn)[3]。目前行波管制成的功率放大器在市面上較為常見(jiàn)，由于在末級(jí)放大器上采用的是電子管，因此會(huì)有體積大、工作電壓力等不足之處。除此之外，我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域使用的行波管放大器多數(shù)來(lái)源于進(jìn)口，一旦放大器出現(xiàn)故障維修起來(lái)極為不便。固態(tài)放大器則能夠擺脫行波管放大器的不足之處，且就我國(guó)目前的技術(shù)水平而言完全能夠進(jìn)行自主研發(fā)，以此滿足各項(xiàng)工程的需要[4]。本次設(shè)計(jì)應(yīng)用的是20W 輸出功率的GaN 芯片作為末級(jí)放大器的芯片，并采用較小損耗的徑向波導(dǎo)管合成器實(shí)現(xiàn)功分/合成網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)小體積并提供大功率輸出。

1 高功率微波功率放大器設(shè)計(jì)要求

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

1.1.1 工作頻段

放大器在正常工作中有固定的工作頻段范圍，當(dāng)高于最高工作頻段或低于最低工作頻段放大器無(wú)法正常工作，工作頻段決定了功率放大器的帶寬。其中絕對(duì)帶寬定義為：

其中fh代表的是功率放大器的工作頻率上限，fl代表的是功率放大器的下限。功率放大器的相對(duì)帶寬定義為：

其中fo是功率放大器的中心頻率，20%是寬帶功率放大器和窄帶功率放大器的界限，當(dāng)功率放大器的相對(duì)帶寬高于這個(gè)值為寬帶功率放大器，小于這個(gè)值則為窄帶功率放大器，一般情況下寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)難度會(huì)更高。

1.1.2 輸出功率

射頻信號(hào)傳遞給放大器后，對(duì)于放大器而言能夠輸出的功率值被稱為輸出功率，在功率放大器的設(shè)計(jì)中輸出功率是其最為重要的指標(biāo)之一[5]，在放大器設(shè)計(jì)中提升輸出功率也極為不易。同時(shí)放大器還有飽和輸出功率的概念，即激勵(lì)源輸入功率放大器的功率值達(dá)到某一個(gè)數(shù)值之后輸出功率不會(huì)再繼續(xù)增加，放大器的飽和輸出功率一般用Psat表示。

1.1.3 諧波與雜散

功率放大器在工作中會(huì)產(chǎn)生諧波，諧波產(chǎn)生的主要條件在于輸入信號(hào)值，對(duì)于功率放大器而言主要關(guān)注的是二次諧波和三次諧波。此外，功率放大器在工作中還可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)失真，這種非諧波關(guān)系也被稱為雜散。

1.2 功率合成技術(shù)

功率合成技術(shù)通常應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)大功率輸出中，要想實(shí)現(xiàn)高功率微波功率放大器的關(guān)鍵在于功率合成技術(shù)，包含電路合成、晶體管合成以及空間合成。

電路合成主要依托于帶狀線和微狀線實(shí)現(xiàn)功率合成，這種合成器容易使得電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)度集中而發(fā)生電擊穿現(xiàn)象，因此在介質(zhì)材料的選擇上優(yōu)先考慮厚度較高的類型。當(dāng)在高頻率的環(huán)境中使用電路合成器為了避免介質(zhì)導(dǎo)熱率不足而散熱出現(xiàn)問(wèn)題，一般只會(huì)對(duì)兩個(gè)放大器芯片進(jìn)行功率合成，這種合成方式難以滿足大功率的需求，因此在本次設(shè)計(jì)中不適用。

晶體管合成主要是在放大器內(nèi)部將多個(gè)半導(dǎo)體晶體級(jí)聯(lián)，如圖1所示。這種功率合成方式由于為了避免晶體管合成路數(shù)過(guò)高而產(chǎn)生高熱量，因此在大功率的選擇上也不太適用。

空間合成更適合大功率的合成，主要原因在于空間合成具有更大容量的功率空間，但由于空間合成器的結(jié)構(gòu)相比其他合成器也更為復(fù)雜，因此使用空間功率合成技術(shù)的難度也是比較大的。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 放大鏈路設(shè)計(jì)

2.1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

（1）輸入接口：SMA-K；

（2）輸出接口：BJ120；

（3）工作頻段：10.5GHz-13.5GHz；

（4）增益：59dB；

（5）增益平坦度：3dB；

（6）輸出飽和功率：800w；

（7）輸入駐波比：1.25:1Max；

（8）輸出駐波比：1.30:1Max；

（9）雜波：-65dBc；

（10）諧波：-40dBc。

2.1.2 放大鏈路設(shè)計(jì)

在放大鏈路的設(shè)計(jì)上采用的是固態(tài)設(shè)計(jì)，需要使用功率合成技術(shù)以此獲得高功率。而本次功率放大器本著小型化的設(shè)計(jì)原則，在末級(jí)芯片的選擇上采用的是目標(biāo)頻段輸出功率最大的GaN 芯片(NC116124C-1113P25 芯片),其增益曲線和功率曲線如圖2所示。

從GaN 芯片的增益曲線圖和功率曲線圖可以看出，在工作頻段的輸出功率在25W 左右，而工作頻段外的輸出功率跌幅較大，在工作頻段的的增益為20dB 左右。為確保整機(jī)功率在工作頻段輸出達(dá)到800W，以3dB 電橋合成為兩路基礎(chǔ)模塊，假設(shè)末級(jí)多路合成效率為95%計(jì)算，需要至少26 路基礎(chǔ)模塊合成，采取的是徑向波導(dǎo)合成方式。為了本著更小體型的設(shè)計(jì)，最終合成器采用的是BJ120 波導(dǎo)口。

在驅(qū)動(dòng)功放鏈路的設(shè)計(jì)如圖3所示，共設(shè)計(jì)了三級(jí)放大，且在每級(jí)中都有加入隔離器，目的是為了防止除了整機(jī)增益過(guò)大的自激現(xiàn)象。功率放大器射頻鏈路設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)放大和末級(jí)放大，功能在于獲得增益和提供大功率輸出。

圖1：晶體管兩路功率合成示意圖

圖2：GaN 芯片的增益曲線和功率曲線

2.2 功分/合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

公分/合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的主要目的在于降低功耗及將輸出功率進(jìn)行合成，由于本次設(shè)計(jì)的功率放大器為高功率，因此還需要重點(diǎn)考慮合成網(wǎng)絡(luò)的散熱問(wèn)題，而由于放大模塊的數(shù)量較多，在端口的空間設(shè)計(jì)上各端口間保持了良好的距離，避免端口間出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。

這里選擇的是徑向波導(dǎo)公分/合成器，由于徑向波導(dǎo)功率合成技術(shù)在散熱性能上較好，且擁有較低的損耗和較高的效率，對(duì)于本次小型化高功率微波功率放大器的設(shè)計(jì)是非貼合。圖4 顯示的是徑向波導(dǎo)公分/合成器傳輸系數(shù)和反射系數(shù)的仿真結(jié)果，從圖4 中數(shù)據(jù)顯示能夠判斷出徑向波導(dǎo)合成器性能的好壞。

從圖4 中可以看出徑向波導(dǎo)合成器輸口端的發(fā)射系數(shù)在-10.08dB 以下，背靠背損耗最大為0.42dB。由此反映出在功率合成的過(guò)程中端口匹配還沒(méi)達(dá)到一個(gè)理想狀態(tài)，但對(duì)于本次設(shè)計(jì)的要求還是能夠滿足。

圖3：驅(qū)動(dòng)功放鏈路圖

圖4：徑向波導(dǎo)合成器傳輸系數(shù)及反射系數(shù)仿真圖

2.3 小型化設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的功率放大器還有小型化的特點(diǎn)，在小型化設(shè)計(jì)上不僅需要采用更小的體積，還需要考慮到散熱、減重等綜合因素，因此在外殼和射頻基板上采用了一體化設(shè)計(jì)，放大器內(nèi)部構(gòu)造從上至下分別為儲(chǔ)能電路、射頻電路以及負(fù)壓保護(hù)電路。在放大器的底面采用的是鋁制基板，這種材料的基板在散熱、減重性能上更好。在基板外設(shè)計(jì)了散熱齒，功率放大器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)控風(fēng)能夠?qū)⒁徊糠譄崃可⑷?。在板材上選擇的是高介電常數(shù)板材，該板材的介電常數(shù)為10.2，因此能夠減少放大器的設(shè)計(jì)尺寸。

3 結(jié)論

本次小型化高功率微波功率放大器的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)測(cè)試符合要求，根據(jù)相關(guān)指標(biāo)采用了較為科學(xué)的鏈路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了三級(jí)放大，且每級(jí)放大中都有加入隔離器防止整機(jī)增益過(guò)大的自激現(xiàn)象，并設(shè)計(jì)出了26 路合成的功分/合成網(wǎng)絡(luò)，各端口之間的距離進(jìn)行了合理的把控，避免端口間出現(xiàn)干擾，保證工作在Ku波段（10,5GHz-13.5GHz）的輸出功率在800W 以上，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊湊滿足了小型化的特點(diǎn)，且能夠提供較大功率的輸出，對(duì)于雷達(dá)、通信等領(lǐng)域能夠得到一定的借鑒。