Ku波段300WBUC線性固態(tài)功放研制

周二風(fēng)

摘 要：文章介紹了一種Ku波段300W BUC線性固態(tài)功放的研制。該功放采用12路氮化鎵功放芯片，通過波導(dǎo)功率合成技術(shù)和預(yù)失真技術(shù)相結(jié)合的方式，實現(xiàn)連續(xù)波輸出功率可達(dá)300 W，線性度三階互調(diào)可達(dá)-27dBc@52dBm以上， 諧雜波抑制度可達(dá)-60dBc以上的性能。固態(tài)功放效率高達(dá)20%，同時其功放內(nèi)部自帶頻率源和上變頻功能。功放具有高集成度、高穩(wěn)定性、高可靠性等特點，并具備完善的監(jiān)控保護(hù)功能和友好的人機(jī)交互界面，可面向工程化應(yīng)用，滿足衛(wèi)星通信系統(tǒng)中央站或區(qū)域站需求。

關(guān)鍵詞：氮化鎵功放;預(yù)失真;功率合成;上變頻模塊

0 引言

隨著衛(wèi)星通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，系統(tǒng)對高效、寬帶大功率固態(tài)功放的需求與日俱增，大功率固態(tài)功放作為微波、毫米波發(fā)射鏈路中的核心設(shè)備將逐漸取代行波管放大器，其在線性度、使用壽命和可靠型等方面具有明顯優(yōu)勢。同時，通信產(chǎn)品的高集成化趨勢日益明顯，大功率通信系統(tǒng)射頻前端高集成化也是大勢所趨。

本文介紹了一種Ku波段300W BUC線性固態(tài)功放工程研制，其具有高集成度、高線性度等特點。該功放連續(xù)波輸出功率可達(dá)300W以上，三階互調(diào)線性度高達(dá)-27dBc@52dBm。此外，固態(tài)功放還具有友好的人機(jī)交互界面及完善的監(jiān)控保護(hù)功能，工程實用性較強(qiáng)。

1 整機(jī)方案設(shè)計及工作原理

根據(jù)固態(tài)功放功能將其劃分為BUC上變頻及功率驅(qū)動單元、Ku 300W末級功放單元以及電源和監(jiān)控處理單元等部分，并將其集成于標(biāo)準(zhǔn)3U機(jī)箱內(nèi)。該固態(tài)功放同時具有失鎖、過壓、過流、過激勵、過反射、過溫等告警保護(hù)功能，采用內(nèi)嵌式操作系統(tǒng)控制方式，具有高效的多任務(wù)處理能力。此外，人機(jī)交互通過彩色觸屏監(jiān)控，方便工程應(yīng)用。

該固態(tài)功放的主要功能是將來自衛(wèi)星Modem中頻信號進(jìn)行上變頻，同時對上變頻后的射頻信號進(jìn)行功率放大，以至于射頻信號能量足以發(fā)射到空間衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，以此滿足衛(wèi)星通信功率需求。將來自衛(wèi)星Modem中頻信號連接到該功放中頻輸入端，經(jīng)BUC上變頻及功率驅(qū)動單元、Ku 300W末級功放單元逐級放大后，最終實現(xiàn)70dB以上功率增益和300W功率輸出，整機(jī)原理如圖1所示。

1.1 ?Ku 300W末級功放設(shè)計

該模塊采用兩個Ku 170W末級功放使用魔T[1-2]進(jìn)行二次功率合成，而每個Ku 170W末級功放使用6路氮化鎵功放管采用非2N空間功率合成方式[3-4]進(jìn)行功率合成，該末級功放共計使用12路氮化鎵功放管，打破了傳統(tǒng)功率合成對合成路數(shù)的限制，同時還大幅度提升了產(chǎn)品的性價比，波導(dǎo)合成形式為E-T和H-T混合形式，圖2為Ku 170W末級功放功分合成器仿真建模和與仿真結(jié)果，m1，m2代表其通帶S21插入損耗值，m3，m4代表通帶輸入端口S11回波損耗值，m5代表通帶輸出端口S22回波損耗值，再考慮到導(dǎo)體損耗等，該功分合成器合成效率高達(dá)90%，并且該模塊采用雙面散熱結(jié)構(gòu)風(fēng)冷主動散熱方式，可在環(huán)境溫度高達(dá)70 ℃的狀態(tài)下有效可靠地工作。

1.2 ?BUC上變頻及功率驅(qū)動單元設(shè)計

微波射頻前端產(chǎn)品集成度要求越來越高，固態(tài)功放產(chǎn)品也不例外。該BUC上變頻及功率驅(qū)動單元也將集成到固態(tài)功放產(chǎn)品中，該單元內(nèi)部含有中頻、鎖相、預(yù)失真、變頻、濾波、功率放大等相關(guān)功能電路，其為整機(jī)提供了足夠的增益，同時為Ku 300W末級功率放大器提供足夠的功率激勵電平。該單元的高集成度設(shè)計，增加了整機(jī)雜散指標(biāo)控制難度，設(shè)計時需充分考慮各信號間的供電干擾、濾波、空間隔離等預(yù)防措施。

在測控和通信應(yīng)用領(lǐng)域，固態(tài)功放的線性度是除功率之外另一個非常重要的指標(biāo)，會直接影響系統(tǒng)測控精度、通信質(zhì)量和通信容量。由于Ku 300W末級功放單元采用多路氮化鎵功放芯片進(jìn)行功率合成，其功率增益壓縮特性和線性度不能滿足整機(jī)指標(biāo)要求，需要采用模擬預(yù)失真電路[5-6]對其進(jìn)行修正，該單元原理如圖3所示。

該電路中數(shù)控衰減器用于調(diào)整整機(jī)鏈路增益，其過激勵檢測用于對中頻輸入電平的檢測，實現(xiàn)大功率電平輸入時對功放的保護(hù)功能。預(yù)失真電路的核心為高性能的射頻二極管，其外圍的匹配和偏置電路可以調(diào)整二極管的靜態(tài)工作點，達(dá)到減小預(yù)失真電路的插損和改善線性度的目的。

可調(diào)增益放大器用于調(diào)整鏈路預(yù)失真深度，同時結(jié)合功率壓縮補(bǔ)償電平動態(tài)自適應(yīng)調(diào)整功放功率壓縮和增益溫度補(bǔ)償，以使功放高低溫工作時達(dá)到功率壓縮修正和穩(wěn)定增益的效果。

本振LO信號通過內(nèi)部集成VCO的PLL鎖相芯片構(gòu)成鎖相環(huán)實現(xiàn)，模塊內(nèi)部自帶鎖相晶振，通過二次鎖相實現(xiàn)高相位噪聲要求的LO信號輸出。

1.3 ?供電監(jiān)控單元電路設(shè)計

該供電監(jiān)控電路單元主要由AC-DC電源、DC-DC二次電源變換電路、單片機(jī)系統(tǒng)電路、正負(fù)電時序保護(hù)電路、故障指示電路等組成。主要為BUC上變頻及功率驅(qū)動單元和Ku 300W末級功率放大器提供供電和控制，并且提供友好的人機(jī)交互功能（如功放整機(jī)失鎖、過溫、過壓、過流、過激勵、過反射、實時輸出功率、實時功耗等），并通過彩色觸屏和雙色LED燈實時顯示功放工作狀態(tài)，方便用戶應(yīng)用。

2 測試結(jié)果分析

對Ku波段300W BUC線性固態(tài)功放各項指標(biāo)進(jìn)行全面測試，指標(biāo)要求與實測結(jié)果對比如表1所示。產(chǎn)品指標(biāo)的實測結(jié)果優(yōu)于技術(shù)要求，完全滿足衛(wèi)星通信系統(tǒng)中央站或區(qū)域站對功率的需求。

3 結(jié)語

本文介紹了一種Ku波段300W BUC線性固態(tài)功放研制，通過（非2N方式）12路MMIC功放管進(jìn)行功率合成，合成效率高達(dá)90%以上，整機(jī)效率高達(dá)20%以上，連續(xù)波輸出功率可達(dá)300W以上，同時具有較好的線性度、諧雜波抑制度、相位噪聲等，產(chǎn)品性能達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先水平。

此外，固態(tài)功放還滿足（高低溫、振動、低氣壓等）可靠性試驗要求，并配備了友好的人機(jī)交互界面和監(jiān)控功能，以面向工程化應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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（編輯 王雪芬）