一種C波段功率放大器的設計

韋 煒

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

微波固態功率放大器有以下優點：結構緊湊，體積小，重量輕，安裝簡單；穩定性好，可靠性高，使用壽命長；適于批量生產，且容易使特性一致；供電電壓低；操作使用簡單。因此，微波固態功率放大器在各種通信領域的使用也越來越廣泛。根據需要，研制了一種C波段發射組件，可將輸入的小功率微波信號調制為大功率脈沖微波信號，以驅動前級真空行波管或直接輸出。調制信號由外部輸入。其相對帶寬可達30%，并可工作于連續波或脈沖波2種放大模式。

1 方案設計

主要設計指標如下：工作頻率6.4GHz～7GHz；輸出功率≥3W ；輸入功率3mW ；輸出功率起伏：在環境溫度－20℃～＋60℃范圍內以及整個工作頻帶內，輸出功率起伏≤±0.5dB；輸入輸出端駐波≤1.5；具有故障檢測功能。

根據指標要求，系統增益應該在30dB以上，前級設計主要為了提供足夠的增益和推動功率。這里采用Eudyna公司的單片集成電路FMM5056VF，在輸入功率為3mW（5dBm）的情況下，第一級增益28dB，輸出1dB壓縮點為33dBm（2W）。外圍電路比較簡單，第二級采用FLM6472－4F，功率增益9dB，輸出1dB壓縮點為36dBm（4W）。為滿足故障檢測功能，需要在輸出端增加功率檢測電路。為保證輸入輸出駐波及系統的穩定性（如輸出端開路或短路的情況），加入隔離器，射頻部分采用Roger4003板材，介電常數3.5。

當其工作于連續波模式時，經適度功率回退，可減小三階互調分量，具有良好的線性；當其工作于脈沖模式時，針對雷達的信號特點，采用了電源調制溫度補償等技術措施，提高了功放的效率，減小了脈間噪聲，可滿足雷達的使用要求。其組成原理框圖如圖1所示。

圖1 原理框圖

2 工作原理和設計

2.1 偏置電路

FLM6472－4F為內匹配的場效應功率管，為保證其在A類工作狀態，需在柵極和漏極分別加電，保證其工作在合適的靜態工作點。偏置網絡的設計要求并聯在主傳輸支路上，對工作的射頻信號是高阻狀態，由射頻高阻線、扇形線和偏壓電路實現。根據傳輸線公式：

式中：Zin為輸入阻抗；ZL為低阻抗；Z0為高阻抗。

相對四分之一波長線的輸入阻抗就是：

Z′in相對當前頻率就是高阻狀態，實現射頻扼流的效果。此處用扇形線來近似ZL。扇形線在較寬的頻帶范圍內容易達到小于20Ω的低阻抗。關于扇形線的計算此處不再做說明。考慮到漏極電流可能比較大，高阻線采用100Ω四分之一長微帶線實現。柵極偏壓電路用2個電阻的分壓網絡實現。漏極電路考慮到脈沖調制的脈沖沿要求比較高，把扇形線的末端直接與調制晶體管的輸出直接相連。直接偏置電路的仿真圖形見圖2。整個電路通過Ansoft Designer優化設計，在工作頻段內的回波損耗能達到－25dB，見圖3［1］。

2.2 溫度補償及脈沖調制

由于熱能耗的原因，GaAs場效應微波放大管在高溫下輸出功率低于常溫，而在低溫下大于常溫，波動比較大，圖4為未經過溫度補償的輸出功率。

為了補償溫度變化帶來的影響，先要完成幾項工作：

（1）測量漏極饋電電壓變化對輸出功率的影響，見圖5。可以看到，輸出功率隨漏極功率近似于線性變化。

（2）溫敏電阻調節微波放大器的漏級饋電電壓變化，這里選用MAXIM663作為線性電壓的控制電路，其提供2路電壓輸出且具有輸出保護功能，如圖6所示。

圖2 偏置線

圖3 偏置線仿真曲線

圖4 輸出功率波動

圖5 測量漏級饋電電壓對輸出功率的影響

圖6 溫度補償及脈沖調制電路

可以看到，由SENCE的電位控制Vout1，Vout2產生一個電壓隨溫敏電阻變化的線性電壓，驅動三極管，再通過一個高速的MOSFET開關管產生脈沖電壓，這樣可得到一個隨溫度改變的脈沖電壓。

需要注意的是，連接SENCE的電位器控制輸出電平值，連接溫敏電阻的電位器控制溫度的變化，這樣可得到一個很大的調節范圍。選用負溫度系數阻值為10kΩ的溫敏電阻，－20～＋60℃范圍內在100～20kΩ之間變化。

經過溫度補償的功率輸出見圖7，可見在溫度范圍內頻帶整個起伏0.4dB。

圖7 補償后功率輸出曲線

2.3 功率檢測

針對技術指標的故障檢測功能，此處在輸出端需要從輸出信號耦合部分功率，通過檢波轉化成視頻信號，利用電壓比較器實現故障檢測的功能。根據檢波器的檢波動態范圍，此處的耦合器需要30dB左右。如果設計一個6.4～7GHz頻段的耦合器，尺寸比較大，長約7mm，過長的傳輸線不僅白白損失輸出功率，而且太長的腔體空間也會帶來功放的不穩定性。此次做了一個頻率15GHz、耦合度25dB的耦合器，在6.4～7GHz頻段耦合度正好為30dB，長度僅1.5mm。整體電路見圖8。

輸出信號經過一個－30dB的耦合器，耦合端通過檢波得到一個電平信號。

圖8 電路圖

運放與基準電壓相比較，基準電壓設為中心頻率輸出功率一半時的檢波電平，當檢波電平小于基準電平（即輸出功率小于1.5W）時，電路對外會給出一個標準邏輯電平的告警信號，工作指示燈滅。電路如圖9所示，實物如圖10所示。

結構上將微波電路和輔助電路分成兩部分，在實驗中發現功放管兩側的腔體收窄會改善腔體諧振的自激。微波部分側壁貼上吸波材料可減少腔體諧振對輸出功率的影響［2］。

圖9 故障檢測電路

圖10 C波段功放電路模塊

3 結束語

功放實驗中，在6.4～7GHz的工作頻帶內，輸出功率≥3.5W，在環境溫度－20℃～＋60℃范圍內；整個工作頻帶內，輸出功率起伏≤0.4dB，達到指標要求。雷達固態功放自由的信號形式選擇給雷達系統設計師帶來了方便和機會。其電源調制、功率控制、增益補償等關鍵技術已經突破，在通信、雷管等領域將會有更大的應用前景［3］。

［1］Inder Bahl，Prakash Bhartia.微波固態電路設計［M］.鄭新，趙亞潔譯.北京：電子工業出版社，2006.

［2］Yeap Yean Wei，Tan Soon Hie.Design of X－band high power cascade amplifier［J］.High Frequency Electronics，2007，1（10）：24－32.

［3］李樹人.C波段線性固態功放在雷達中的應用［J］.電子工程，2005，27（2）：5－9.