L波段1200 W固態(tài)功率放大器的設計*

孟慶賢，席洪柱，方 航，王 亮，王 林，葉 鑫，詹 銳

（安徽華東光電技術研究所有限公司，安徽蕪湖 241000）

1 引言

微波功率放大器的作用是在信號與信息傳輸系統(tǒng)中，將發(fā)射端的信號進行放大再傳送[1]，主要分為真空和固態(tài)兩種形式[2]。真空器件轉換效率高，輸出功率一般可以達到上百瓦，但是使用壽命有限、可靠性差、占用體積較大[3]，由于其功率與效率的優(yōu)勢，目前仍廣泛應用于各領域。固態(tài)器件的輸出功率和效率相對于傳統(tǒng)的真空器件較低，但隨著LDMOS和GaN等技術的日益發(fā)展[4-5]，這些問題都逐步得到解決。此外，微波器件自身具有優(yōu)勢，如供電電壓低、使用壽命長、可靠性高、體積小等，而且可以利用功率合成技術，使用多個固態(tài)器件的并聯(lián)放置實現高功率輸出[2]。如今固態(tài)功率放大器已被廣泛應用于加速器、微波加熱、微波干燥等領域[6-8]。

L波段固態(tài)功率放大器基于LDMOS和GaN器件進行研制，輸出功率完全可以達到真空器件的要求。文獻[9-10]選用LDMOS管研制L波段的固態(tài)功率放大器，效率和線性度良好，輸出功率分別為100 W和160 W。文獻[11-12]選用GaN功率器件研制L波段的固態(tài)功率放大器，效率高，輸出功率穩(wěn)定，輸出功率達100 W和137 W。文獻[13]研制了一款L波段高效GaN功率放大器，輸出功率達到400 W。目前在很多領域百瓦級別的功率輸出已經無法滿足使用要求，千瓦級別甚至更大功率的L波段固態(tài)功率放大器應運而生。同時，由于整機系統(tǒng)的集成度越來越高，各部分實現模塊化，固態(tài)功率放大器不僅需要穩(wěn)定輸出大功率，而且體積要小，方便操作。文獻[14]基于LDMOS管采用三級放大，對4個350 W放大模塊進行合成，研制出一臺L波段輸出功率為1000 W的固態(tài)功率放大器，但該樣機體積相對較大，集成度較低。文獻[15]基于自主研制的GaN器件，設計了一款L波段輸出功率為1100 W的固態(tài)功率放大器，但僅支持脈沖的工作方式，而且GaN器件的價格相對于LDMOS管要高。

本文針對目前L波段固態(tài)功率放大器的發(fā)展需求，設計了一種基于LDMOS管的L波段固態(tài)功率放大器，工作頻率為1.3 GHz，帶寬為±5 MHz，支持連續(xù)波和脈沖兩種工作方式。通過三級放大，均能實現1200 W的功率穩(wěn)定輸出，同時整機采用小型化設計、低成本制造，并且控制方便。通過對樣機的測試，結果表明該放大器具有輸出功率穩(wěn)定、體積小、成本低、相噪低、諧波抑制度高等優(yōu)點，還能作為單個放大模塊，通過多路合成達到更高功率的輸出，具有廣泛的適用性。

2 固態(tài)功放設計

2.1 總體設計

本文提出的L波段固態(tài)功率放大器的原理框圖如圖1所示。

圖1 放大器原理

由圖1可知，固態(tài)功率放大器主要由增益調節(jié)電路、相位調節(jié)電路、一級放大電路、二級放大電路、末級放大電路、環(huán)行器、水冷板、供電電源與控保電路組成。射頻信號源提供微波小信號，首先經過增益和相位調節(jié)電路，然后經過一級、二級放大電路，放大后信號通過3 dB電橋一分二到末級放大電路，再通過3 dB電橋合成，最終輸出功率。供電電源給各級功放管及芯片提供工作電壓，環(huán)行器主要用于保護功率放大器，避免輸出不匹配導致反射功率過大燒毀功放管等器件，控保電路是對功率放大器的狀態(tài)進行檢測，并對異常狀態(tài)進行保護，水冷板置于所有器件下方，帶走發(fā)熱器件的熱耗。

2.2 放大電路設計

2.2.1 一級放大電路設計

一級放大電路主要為了提供足夠的增益，用來彌補增益調節(jié)電路和相位調節(jié)電路的增益損失，同時還要考慮大功率集成和小型化設計。本文采用一種塑封的LDMOS功放管，工作頻率可達到1400 MHz，效率高，熱穩(wěn)定性優(yōu)異，增益大于16 dB，輸出功率大于41.1 dBm，具體電路如圖2所示。

圖2 一級放大電路

微波小信號經過由電感L1和電容C46、C47組成的輸入匹配電路，再通過隔直電容C1進入功率管進行放大，然后通過由電感L12和電容C44組成的輸出匹配電路，最后通過隔直電容C45輸出功率信號。供電電源50 V一路經過去耦濾波電路給功率管提供工作電壓，另一路經過由穩(wěn)壓二極管D1構成的穩(wěn)壓電路提供偏置電壓，調節(jié)滑動變阻器RV3，使得靜態(tài)電流為80 mA，保證晶體管正常導通工作。

2.2.2 二級放大電路設計

二級放大電路為了減少放大鏈路級數、降低器件數量，采用高增益的LDMOS功率管。其效率高，熱性能卓越，可靠性高，增益為16 dB，輸出功率為47.3 dBm。

(1)為中小企業(yè)提供了新的融資手段。通過融資租賃能夠提高中小企業(yè)的技術水平。在對相關技術設備進行更新時，通過融資租賃，企業(yè)只需要付出一部分款項就能夠獲得使用固定資產的權利，在使用設備的過程中積累資本，從而提高自身的經濟實力。對于那些技術發(fā)展水平比較高，且發(fā)展速度非?？斓钠髽I(yè)，同樣也可以采用融資租賃的方式，來減少因固定資產更新過快而引發(fā)的風險。該種租賃方式比較靈活，方便，承租方可以根據自身發(fā)展的實際情況與融資租賃公司進行相互協(xié)調，從而簽訂相關協(xié)議，這樣能夠確保出租方不改變所有權，還能避開有關國家政策制度的限制。所以，融資租賃可以有效解決中小企業(yè)融資難的問題[4]。

具體電路如圖3所示。

圖3 二級放大電路

一級放大電路輸出的功率信號經過隔直電容C8后進入由微帶線和電容C9、C10組成的輸入匹配電路，經過功率管放大后通過由微帶線和電容C15～C18組成的輸出匹配電路，再經過隔直電容C19輸出功率信號。供電電源提供2路50 V電壓經過去耦濾波電路給功率管供電，另外一路經分壓濾波后經過由穩(wěn)壓芯片IC1構成的穩(wěn)壓電路給功率管提供偏置電壓，調節(jié)滑動變阻器RV1使得靜態(tài)電流為50 mA，保證晶體管正常導通工作。

2.2.3 末級放大電路設計

末級放大電路是整個固態(tài)功率放大器的核心部分，其電路的設計和器件的選取直接決定了輸出功率的大小以及整體模塊的可靠性。通過對整體設計的分析以及相關資料的查閱，選擇了LDMOS功放管，除了其高增益、高可靠性、優(yōu)良的熱性能以外，其在大功率輸出時能夠保證良好的線性增益，對于整體模塊功率輸出而言至關重要，具體電路如圖4所示。

圖4 末級放大電路

二級放大電路輸出的功率信號經過隔直電容C1后，進入由同軸導線SR1、微帶線和電容C6、C7組成的輸入匹配電路，經過功率管放大，然后通過由微帶線、電容C12～C31和同軸導線SR2組成的輸出匹配電路輸出功率信號。為達到1200 W高功率，采用2個輸出功率為700 W的LDMOS放大器經過環(huán)形器再通過3 dB電橋合成輸出，該3 dB電橋能夠產生2路相位正交的信號，這種結構在2個放大器產生的信號發(fā)生失配時對放大器本身具有一定的保護作用。供電電源提供2路50 V電壓經過去耦濾波電路給功率管供電，另一路經過由穩(wěn)壓二極管D1構成的穩(wěn)壓電路提供偏置電壓，調節(jié)滑動變阻器RV1，使得靜態(tài)電流為120 mA，保證晶體管正常導通工作。

2.3 控保電路

控保電路的設計是對功率放大器工作狀態(tài)的監(jiān)控，完成工作數據的采集并量化，提供完善的保護機制，具體采集的數據情況如圖5所示。

圖5 放大器詳細狀態(tài)界面

2.4 水冷板、電源

對于大功率輸出，如何將熱耗帶走是整個放大器的設計重點，特別是末級功放的散熱問題，僅靠外部腔體和銅板散熱完全不夠。采用水冷散熱，根據整體尺寸設計水冷板，水冷板示意如圖6所示。

圖6 水冷板示意

電源設計采用3只電源并行輸出給放大器供電，考慮冗余和可靠性，選用48 V/1.8 kW的開關電源，即使其中1個損壞，另外2個電源仍可輸出3.6 kW，不影響放大器正常工作，電源采用推拉式結構，自帶數字采樣，方便集成、通信及快速維護。

3 功放測試

整個放大器的三級放大電路、控保電路、供電電源、環(huán)形器均放置于同一水平面，水冷板置于三級放大電路的下方，機箱選用標準的1.5U尺寸，功率放大器的信號傳輸介質采用比較寬的微帶線，有利于散熱；電路板選擇同樣散熱比較快的介質板，經過調研采用羅杰斯RO 4350B高頻板，厚度為0.762 mm。將末級功放電路板固定在高導熱系數的紫銅金屬銅板上，銅板尺寸為125.5 mm×60 mm×5 mm，銅板背面均勻涂抹導熱硅脂并通過螺絲固定，緊貼在水冷板上。電源、水冷、射頻輸入輸出、采樣均采用標準接口置于機箱后方，前方設有信號狀態(tài)顯示LED指示燈，功率放大器的實物圖如圖7所示。

圖7 功率放大器實物

功率放大器通過實際電路加工、電裝完成后，必須通過對各級放大電路中輸入輸出匹配電路進行調試來實現放大器的性能。阻抗匹配不佳，會導致傳輸效率低、反射信號大、電路狀態(tài)不穩(wěn)定等問題出現，采取更改匹配電路中電容的大小與位置、改變微帶線的尺寸等措施使得各項指標滿足要求，調試完成后對功率放大器具體技術指標進行測試，測試平臺原理如圖8所示，實驗室測試平臺實物接線圖如圖9所示。

圖8 測試平臺原理

圖9 實驗室測試平臺照片

射頻信號源選用羅德施瓦茨的SMB100B來提供穩(wěn)定可靠的微波小信號，頻率1.3 GHz，帶寬±5 MHz，經過功率放大器放大后，先經過雙定向耦合器，耦合度為50.2 dB，再經過水負載將熱量帶走。選用中國電子科技集團公司第四十一研究所的2438PB功率計和是德科技的N9020A頻譜儀，通過2個耦合口來測量輸出功率的各參數指標，并且與目前國內L波段千瓦級功率放大器的通用技術指標進行對比，具體測試結果如表1所示。

通過表1中的測試數據可知，設計的L波頻段功率放大器各項測試指標良好，其性能可以達到國內先進水平。對于末級功放電路選擇兩路大功率合成輸出的方案，散熱問題是很大的考驗，通過長時間老練試驗，證明功率放大器能夠穩(wěn)定可靠地工作，這不僅減少了整機體積，而且降低了制作成本。

表1 功率放大器測試結果

4 結論

針對目前L波段固態(tài)功率放大器的高功率、小體積、低成本要求，基于LDMOS功率管設計了一種支持連續(xù)波和脈沖兩種工作方式的功率放大器，工作頻率為1.3 GHz，帶寬為±5 MHz，能夠穩(wěn)定輸出功率1200 W，并選用標準的1.5 U機箱尺寸，減少電源連線，集成度高，電路設計簡潔，有效解決了單管大功率輸出的散熱問題，同時降低了制作成本。通過對樣機的測試，2種工作方式的結果表明各項參數均能夠滿足要求，目前已在實際工程項目中使用，各項技術指標正常，輸出功率穩(wěn)定，可靠性高。為使得功率放大器能夠應用于更多領域，下一步將考慮以該功率放大器為單模塊進行多路合成，研制更大功率輸出、性能更好的固態(tài)功率放大器。