一種C波段功率放大器的設(shè)計(jì)

韋 煒

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

微波固態(tài)功率放大器有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，安裝簡(jiǎn)單；穩(wěn)定性好，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)；適于批量生產(chǎn)，且容易使特性一致；供電電壓低；操作使用簡(jiǎn)單。因此，微波固態(tài)功率放大器在各種通信領(lǐng)域的使用也越來越廣泛。根據(jù)需要，研制了一種C波段發(fā)射組件，可將輸入的小功率微波信號(hào)調(diào)制為大功率脈沖微波信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)前級(jí)真空行波管或直接輸出。調(diào)制信號(hào)由外部輸入。其相對(duì)帶寬可達(dá)30%，并可工作于連續(xù)波或脈沖波2種放大模式。

1 方案設(shè)計(jì)

主要設(shè)計(jì)指標(biāo)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(huán)境溫度－20℃～＋60℃范圍內(nèi)以及整個(gè)工作頻帶內(nèi)，輸出功率起伏≤±0.5dB；輸入輸出端駐波≤1.5；具有故障檢測(cè)功能。

根據(jù)指標(biāo)要求，系統(tǒng)增益應(yīng)該在30dB以上，前級(jí)設(shè)計(jì)主要為了提供足夠的增益和推動(dòng)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(jí)增益28dB，輸出1dB壓縮點(diǎn)為33dBm（2W）。外圍電路比較簡(jiǎn)單，第二級(jí)采用FLM6472－4F，功率增益9dB，輸出1dB壓縮點(diǎn)為36dBm（4W）。為滿足故障檢測(cè)功能，需要在輸出端增加功率檢測(cè)電路。為保證輸入輸出駐波及系統(tǒng)的穩(wěn)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(shù)3.5。

當(dāng)其工作于連續(xù)波模式時(shí)，經(jīng)適度功率回退，可減小三階互調(diào)分量，具有良好的線性；當(dāng)其工作于脈沖模式時(shí)，針對(duì)雷達(dá)的信號(hào)特點(diǎn)，采用了電源調(diào)制溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)措施，提高了功放的效率，減小了脈間噪聲，可滿足雷達(dá)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(shè)計(jì)

2.1 偏置電路

FLM6472－4F為內(nèi)匹配的場(chǎng)效應(yīng)功率管，為保證其在A類工作狀態(tài)，需在柵極和漏極分別加電，保證其工作在合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。偏置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要求并聯(lián)在主傳輸支路上，對(duì)工作的射頻信號(hào)是高阻狀態(tài)，由射頻高阻線、扇形線和偏壓電路實(shí)現(xiàn)。根據(jù)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(duì)四分之一波長(zhǎng)線的輸入阻抗就是：

Z′in相對(duì)當(dāng)前頻率就是高阻狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)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(nèi)容易達(dá)到小于20Ω的低阻抗。關(guān)于扇形線的計(jì)算此處不再做說明?？紤]到漏極電流可能比較大，高阻線采用100Ω四分之一長(zhǎng)微帶線實(shí)現(xiàn)。柵極偏壓電路用2個(gè)電阻的分壓網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。漏極電路考慮到脈沖調(diào)制的脈沖沿要求比較高，把扇形線的末端直接與調(diào)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(gè)電路通過Ansoft Designer優(yōu)化設(shè)計(jì)，在工作頻段內(nèi)的回波損耗能達(dá)到－25dB，見圖3［1］。

2.2 溫度補(bǔ)償及脈沖調(diào)制

由于熱能耗的原因，GaAs場(chǎng)效應(yīng)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(dòng)比較大，圖4為未經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)妮敵龉β省?/p>

為了補(bǔ)償溫度變化帶來的影響，先要完成幾項(xiàng)工作：

（1）測(cè)量漏極饋電電壓變化對(duì)輸出功率的影響，見圖5?？梢钥吹剑敵龉β孰S漏極功率近似于線性變化。

（2）溫敏電阻調(diào)節(jié)微波放大器的漏級(jí)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(hù)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(dòng)

圖5 測(cè)量漏級(jí)饋電電壓對(duì)輸出功率的影響

圖6 溫度補(bǔ)償及脈沖調(diào)制電路

可以看到，由SENCE的電位控制Vout1，Vout2產(chǎn)生一個(gè)電壓隨溫敏電阻變化的線性電壓，驅(qū)動(dòng)三極管，再通過一個(gè)高速的MOSFET開關(guān)管產(chǎn)生脈沖電壓，這樣可得到一個(gè)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(gè)很大的調(diào)節(jié)范圍。選用負(fù)溫度系數(shù)阻值為10kΩ的溫敏電阻，－20～＋60℃范圍內(nèi)在100～20kΩ之間變化。

經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)墓β瘦敵鲆妶D7，可見在溫度范圍內(nèi)頻帶整個(gè)起伏0.4dB。

圖7 補(bǔ)償后功率輸出曲線

2.3 功率檢測(cè)

針對(duì)技術(shù)指標(biāo)的故障檢測(cè)功能，此處在輸出端需要從輸出信號(hào)耦合部分功率，通過檢波轉(zhuǎn)化成視頻信號(hào)，利用電壓比較器實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)的功能。根據(jù)檢波器的檢波動(dòng)態(tài)范圍，此處的耦合器需要30dB左右。如果設(shè)計(jì)一個(gè)6.4～7GHz頻段的耦合器，尺寸比較大，長(zhǎng)約7mm，過長(zhǎng)的傳輸線不僅白白損失輸出功率，而且太長(zhǎng)的腔體空間也會(huì)帶來功放的不穩(wěn)定性。此次做了一個(gè)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(zhǎng)度僅1.5mm。整體電路見圖8。

輸出信號(hào)經(jīng)過一個(gè)－30dB的耦合器，耦合端通過檢波得到一個(gè)電平信號(hào)。

圖8 電路圖

運(yùn)放與基準(zhǔn)電壓相比較，基準(zhǔn)電壓設(shè)為中心頻率輸出功率一半時(shí)的檢波電平，當(dāng)檢波電平小于基準(zhǔn)電平（即輸出功率小于1.5W）時(shí)，電路對(duì)外會(huì)給出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平的告警信號(hào)，工作指示燈滅。電路如圖9所示，實(shí)物如圖10所示。

結(jié)構(gòu)上將微波電路和輔助電路分成兩部分，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)功放管兩側(cè)的腔體收窄會(huì)改善腔體諧振的自激。微波部分側(cè)壁貼上吸波材料可減少腔體諧振對(duì)輸出功率的影響［2］。

圖9 故障檢測(cè)電路

圖10 C波段功放電路模塊

3 結(jié)束語

功放實(shí)驗(yàn)中，在6.4～7GHz的工作頻帶內(nèi)，輸出功率≥3.5W，在環(huán)境溫度－20℃～＋60℃范圍內(nèi)；整個(gè)工作頻帶內(nèi)，輸出功率起伏≤0.4dB，達(dá)到指標(biāo)要求。雷達(dá)固態(tài)功放自由的信號(hào)形式選擇給雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師帶來了方便和機(jī)會(huì)。其電源調(diào)制、功率控制、增益補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)突破，在通信、雷管等領(lǐng)域?qū)?huì)有更大的應(yīng)用前景［3］。

［1］Inder Bahl，Prakash Bhartia.微波固態(tài)電路設(shè)計(jì)［M］.鄭新，趙亞潔譯.北京：電子工業(yè)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(tài)功放在雷達(dá)中的應(yīng)用［J］.電子工程，2005，27（2）：5－9.