X波段30W固態功率放大模塊的設計

程光偉+閆燕勤

收稿日期：2014-07-14

作者簡介：程光偉（1957—），男，遼寧本溪人，副教授，碩士，研究方現：通信與電子信息。

通訊聯系人，E-mail：986754337@qq.com

文章編號：1003-6199（2014）03-0069-04

摘 要：微波功率放大器的應用范圍廣，在雷達、導航、通信、衛星地面收發站、電子對抗儀器設備中不可或缺。介紹一個X波段固態功率放大器模塊的設計過程，通過ADS射頻仿真軟件根據S參數對微波固態功放模塊的偏置隔直電路以及匹配電路進行設計優化，功率放大器經過級聯、功率分配合成，達到設計的指標要求。

關鍵詞：微波功率放大器；X波段；偏置；匹配；功率合成

中圖分類號：TN722.7 文獻標識碼：A

Design for 30W X-band Solid State Power Amplifier Module

CHENG Guang-wei，YAN Yan-qin

（School of Electronic Information Engineering， Xian Technological University，Xian， Shanxi 710032，China）

Abstract：Microwave power amplifier is widely used and indispensable in radar， navigation， communications， satellite earth station， electronic warfare equipment . Introduce a x-band solid-state power amplifier module design process. Through the RF simulation software ADS according to the S parameters of microwave solid state power amplifier module design and optimize bias blocking circuit and matching circuit， power amplifier through synthesis of cascade， power allocation， meet the requirements of design index.

Key words：Microwave power amplifier； X-band； Bias ；Match； Power combiner

1 引 言

隨著無線電技術的廣泛應用和發展，無線電頻率資源被不斷地開發利用，低頻段資源匱乏的情況已經逐漸表現出來。相對而言，高頻段資源有著低頻段資源無法比擬和實現的優點，所以開發高頻段資源有著重要的現實意義。X 波段是頻率在 8～12 GHz電磁波，具有反射率強、波長短的特點，因此，X 波段的雷達在軍事和特殊用途上得到了很好的應用，功率放大器作為雷達的關鍵部件，其功率大小、各項性能指標的好壞，直接影響到雷達的工作性能。

微波固態放大器比電真空功率放大器有顯著的優點，包括使用平均壽命長，可靠性高，工作電壓相對低，操作安全， 結構簡單，體積小，故障軟化等?；谶@樣顯著的優點，近年來越來越受到雷達發射機研制者和用戶的青睞。

文中設計的固態功放模塊，先經過第一級功率放大器后進行功率分配，輸出的四路推動第二級的功率放大器，最后經過四路合成輸出。本文設計目標為輸入9.3GHz～9.4GHz已調制低功率發射信號和功放預熱脈沖，輸出為高功率（30W）發射信號。其技術指標為：輸入頻率范圍：9.3GHz～9.4GHz；輸入脈沖功率：15dBm±3dBm；輸出脈沖功率：≥30W；增益平坦度：±1dB；輸入/輸出駐波比：≤1.3。

2 器件選擇和基材的選擇

2.1 器件的選擇

目前，由于國內功率放大器生產能力、技術水平、工藝水平限制，我們所能選取的器件均來自國外公司，主要有TriQuint、Hittite、Cree、Freescale 等公司的產品。在選擇好設計方案以后，我們需要根據設計方案進行器件選擇，考慮到實際的性能指標需求，以及器件的使用壽命、禁運、價格等因素，經過一系列篩選，我們選擇的功率管是Hittite 公司的器件。

第一級采用 HMC478LP5

輸出功率： Pout=2W；增益： Gain=20dB ；帶寬：：9 -12GHz；匹配阻抗 Zin/Zout=50Ω

第二級采用 HMC7149

輸出功率： Pout=10W；增益： Gain=20dB ；帶寬： 6 -18GHz；匹配阻抗 Zin/Zout=50Ω

2.2 基材的選擇

選擇基材是我們設計過程當中需要早期考慮的，選擇好基材在后面的微帶線設計的時候直接可以使用，使我們的設計變得更加可靠，同時節省資金時間。

板材選擇主要考慮的因素主要為一下幾個方面：1）相對介電常數；2）能夠使用的環境；3）損耗正切；4）厚度；5）成本。

本文設計中選用的板材是Duroid5880，為Rogers公司的板材。

表1 板材參數

如圖1所示，本次設計方案的器件和板材都選定了以后，我們根據放大器級聯設計的思路，可以論證每一級的最大輸出功率。如式（1）、（2）分別是對功放模塊的增益論證和功率論證。

Gain=20dB+20dB=40dB>30dB（1）

Pout=Psat=45dBm （2）

正如式（1）、（2）中所示，在放大器每一級推動中，第一級輸出功率最大為 33dBm，增益為 20dB，當輸入為 13dBm，既可以達到最大輸出功率，即對于HMC478LP5放大器管子而言，只要輸入達到13dBm，即可以達到最大輸出功率 2W（33 dBm），同理，對于 HMC7149 而言，輸入功率為20dBm 就可以達到最大輸出功率10W（40 dBm）。那么功率放大器每一級都推飽和的情況下，都能使功率達到最大輸出功率。

第一級15 dBm經過第一級功放達到2W（33 dBm），進行1/4功率分配器輸出每一路理想0.5W（26.8dBm），足可以推動下一級的功放，使其達到輸出10W（40 dBm）。經過四路合成達到46 dBm的理論值，能夠達到設計要求的30W（45dBm）。

3.1 穩定性分析

微波功率放大器設計的首要任務就是考慮功率晶體管的穩定性，其工作參數一定要低于最大額定參數，包括最大額定漏極電壓、最大額定柵極電壓、最大額定功耗、允許工作溫度和最大結溫等，使放大器在工作頻段內能夠保持穩定。如果不穩定可能導致寄生振蕩，不僅使放大器的輸出信號失真影響，而且在振蕩過激會燒毀放大管。由仿真設計可以知道，所選器件是絕對穩定，設計中不需要專門再對器件穩定性進行設計，只需要在偏置匹配設計中保持電路的穩定即可。

3.2 偏置保護電路的設計

偏置隔直電路在于射頻功率放大器電路設計當中占有非常重要的地位，一個好的偏置、耦合電路能夠很好地提供穩定的電壓，設定好合適工作點，能夠很好地提高功率放大器的效率。

偏置電路設計當中，我們需要關注的問題在于高頻扼流圈（RFC）的設計。高頻扼流圈的主要作用在于，它對于高頻信號起到遏制作用，對于高頻信號呈現高阻抗特性，因此，RFC 的設計我們一般采用 1/4λ高阻抗線來代替電感，用扇形電容來代替集總電容元件接地。

偏置隔直電路的設計如圖2所示：

3.3 匹配電路的設計

讓微波電路和系統無反射、在行波或者盡量接近行波狀態的技術措施就是阻抗匹配。對于任何一個微波功率放大器設計，沒有很好阻抗匹配會使電路不穩定，也會使電路效率降低和非線性失真增大。所以微波電路和系統的設計中，無論是有源還是無源網絡，阻抗匹配問題都是必須要考慮的。在設計功率放大器匹配電路時，匹配電路應同時滿足阻抗匹配、小駐波比、諧波衰減、線性及實際尺寸、工作的帶寬等多項要求。

本文雖然選擇的器件是內匹配的，但是經過仿真之后發現匹配并不能達到我們的要求，所以需要進一步的設計輸入輸出匹配。

第一級功率放大器的輸如輸出匹配設計模型和仿真結果如圖3和圖4所示。

從圖中可以看出S11<-20dB，增益能達到20dB，駐波比VSWR1<1.3，所以匹配電路的設計符合設計的指標。

3.4 功率放大模塊整體的設計

將功率放大器建模，第一級、功分器、第二級、功率合成器整體聯合仿真，仿真模型和仿真結果如圖5所示。

根據仿真結果可以得知，功率放大模塊符合設計指標，在9.3GHz～9.4GHz頻段輸出功率可以達到要求，各項傳輸系數和反射系數符合要求。

4 總 結

本文結合微波功率放大器的設計流程，根據設計的技術指標，選用的是砷化鎵（GaAs）和（GaN）材料的器件，采用多路功率組件合成的形式設計出有一個X波固態功率放大模塊，能夠在要求的9.3～9.4GHz的頻段內，實現輸入15dBm脈沖波，輸出波功率達到30W，增益30dB，駐波比<1.3。

參考文獻

[1] 袁孝康，王仕踏，朱俊達.微帶功率晶體管放大器[M].北京：人民郵電出版社，1982.

[2] 言華. 微波固態電路[M]. 北京理工大學出版社，1995.

[3] 赫崇駿，韓永寧，袁乃昌等. 微波電路[M]. 國防科技大學出版社，1999.

[4] Vineeni，J.B.A .16 W solid state MMIC X-band amplifier for TWT replacement[J]. IEEE， 1996，2：749-752.

[5] Nai-shuo Cheng，Thal-PhuongDao.A 60-watt X-band spatially eombined solid-state amplifier[J] .IEEE MTT-S，1999，2：539-542.

[6] Zhu Jun，et， al. X-band T/R module based on GaN MMICs power amplifier[J]. APSAR，2011：1-4.

[7] 蔣廬俊.X波段固態功率放大器的研究[D].成都：電子科技大學，2011.

[8] 蔣擁軍.X波段大功率固態放大器設計技術研究[D].南京：南京理工大學，2006.

[9] 張 亮.X波段脈沖功率放大器的設計與實現[D].上海：上海交通大學，2009.

正如式（1）、（2）中所示，在放大器每一級推動中，第一級輸出功率最大為 33dBm，增益為 20dB，當輸入為 13dBm，既可以達到最大輸出功率，即對于HMC478LP5放大器管子而言，只要輸入達到13dBm，即可以達到最大輸出功率 2W（33 dBm），同理，對于 HMC7149 而言，輸入功率為20dBm 就可以達到最大輸出功率10W（40 dBm）。那么功率放大器每一級都推飽和的情況下，都能使功率達到最大輸出功率。

第一級15 dBm經過第一級功放達到2W（33 dBm），進行1/4功率分配器輸出每一路理想0.5W（26.8dBm），足可以推動下一級的功放，使其達到輸出10W（40 dBm）。經過四路合成達到46 dBm的理論值，能夠達到設計要求的30W（45dBm）。

3.1 穩定性分析

微波功率放大器設計的首要任務就是考慮功率晶體管的穩定性，其工作參數一定要低于最大額定參數，包括最大額定漏極電壓、最大額定柵極電壓、最大額定功耗、允許工作溫度和最大結溫等，使放大器在工作頻段內能夠保持穩定。如果不穩定可能導致寄生振蕩，不僅使放大器的輸出信號失真影響，而且在振蕩過激會燒毀放大管。由仿真設計可以知道，所選器件是絕對穩定，設計中不需要專門再對器件穩定性進行設計，只需要在偏置匹配設計中保持電路的穩定即可。

3.2 偏置保護電路的設計

偏置隔直電路在于射頻功率放大器電路設計當中占有非常重要的地位，一個好的偏置、耦合電路能夠很好地提供穩定的電壓，設定好合適工作點，能夠很好地提高功率放大器的效率。

偏置電路設計當中，我們需要關注的問題在于高頻扼流圈（RFC）的設計。高頻扼流圈的主要作用在于，它對于高頻信號起到遏制作用，對于高頻信號呈現高阻抗特性，因此，RFC 的設計我們一般采用 1/4λ高阻抗線來代替電感，用扇形電容來代替集總電容元件接地。

偏置隔直電路的設計如圖2所示：

3.3 匹配電路的設計

讓微波電路和系統無反射、在行波或者盡量接近行波狀態的技術措施就是阻抗匹配。對于任何一個微波功率放大器設計，沒有很好阻抗匹配會使電路不穩定，也會使電路效率降低和非線性失真增大。所以微波電路和系統的設計中，無論是有源還是無源網絡，阻抗匹配問題都是必須要考慮的。在設計功率放大器匹配電路時，匹配電路應同時滿足阻抗匹配、小駐波比、諧波衰減、線性及實際尺寸、工作的帶寬等多項要求。

本文雖然選擇的器件是內匹配的，但是經過仿真之后發現匹配并不能達到我們的要求，所以需要進一步的設計輸入輸出匹配。

第一級功率放大器的輸如輸出匹配設計模型和仿真結果如圖3和圖4所示。

從圖中可以看出S11<-20dB，增益能達到20dB，駐波比VSWR1<1.3，所以匹配電路的設計符合設計的指標。

3.4 功率放大模塊整體的設計

將功率放大器建模，第一級、功分器、第二級、功率合成器整體聯合仿真，仿真模型和仿真結果如圖5所示。

根據仿真結果可以得知，功率放大模塊符合設計指標，在9.3GHz～9.4GHz頻段輸出功率可以達到要求，各項傳輸系數和反射系數符合要求。

4 總 結

本文結合微波功率放大器的設計流程，根據設計的技術指標，選用的是砷化鎵（GaAs）和（GaN）材料的器件，采用多路功率組件合成的形式設計出有一個X波固態功率放大模塊，能夠在要求的9.3～9.4GHz的頻段內，實現輸入15dBm脈沖波，輸出波功率達到30W，增益30dB，駐波比<1.3。

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[7] 蔣廬俊.X波段固態功率放大器的研究[D].成都：電子科技大學，2011.

[8] 蔣擁軍.X波段大功率固態放大器設計技術研究[D].南京：南京理工大學，2006.

[9] 張 亮.X波段脈沖功率放大器的設計與實現[D].上海：上海交通大學，2009.

正如式（1）、（2）中所示，在放大器每一級推動中，第一級輸出功率最大為 33dBm，增益為 20dB，當輸入為 13dBm，既可以達到最大輸出功率，即對于HMC478LP5放大器管子而言，只要輸入達到13dBm，即可以達到最大輸出功率 2W（33 dBm），同理，對于 HMC7149 而言，輸入功率為20dBm 就可以達到最大輸出功率10W（40 dBm）。那么功率放大器每一級都推飽和的情況下，都能使功率達到最大輸出功率。

第一級15 dBm經過第一級功放達到2W（33 dBm），進行1/4功率分配器輸出每一路理想0.5W（26.8dBm），足可以推動下一級的功放，使其達到輸出10W（40 dBm）。經過四路合成達到46 dBm的理論值，能夠達到設計要求的30W（45dBm）。

3.1 穩定性分析

微波功率放大器設計的首要任務就是考慮功率晶體管的穩定性，其工作參數一定要低于最大額定參數，包括最大額定漏極電壓、最大額定柵極電壓、最大額定功耗、允許工作溫度和最大結溫等，使放大器在工作頻段內能夠保持穩定。如果不穩定可能導致寄生振蕩，不僅使放大器的輸出信號失真影響，而且在振蕩過激會燒毀放大管。由仿真設計可以知道，所選器件是絕對穩定，設計中不需要專門再對器件穩定性進行設計，只需要在偏置匹配設計中保持電路的穩定即可。

3.2 偏置保護電路的設計

偏置隔直電路在于射頻功率放大器電路設計當中占有非常重要的地位，一個好的偏置、耦合電路能夠很好地提供穩定的電壓，設定好合適工作點，能夠很好地提高功率放大器的效率。

偏置電路設計當中，我們需要關注的問題在于高頻扼流圈（RFC）的設計。高頻扼流圈的主要作用在于，它對于高頻信號起到遏制作用，對于高頻信號呈現高阻抗特性，因此，RFC 的設計我們一般采用 1/4λ高阻抗線來代替電感，用扇形電容來代替集總電容元件接地。

偏置隔直電路的設計如圖2所示：

3.3 匹配電路的設計

讓微波電路和系統無反射、在行波或者盡量接近行波狀態的技術措施就是阻抗匹配。對于任何一個微波功率放大器設計，沒有很好阻抗匹配會使電路不穩定，也會使電路效率降低和非線性失真增大。所以微波電路和系統的設計中，無論是有源還是無源網絡，阻抗匹配問題都是必須要考慮的。在設計功率放大器匹配電路時，匹配電路應同時滿足阻抗匹配、小駐波比、諧波衰減、線性及實際尺寸、工作的帶寬等多項要求。

本文雖然選擇的器件是內匹配的，但是經過仿真之后發現匹配并不能達到我們的要求，所以需要進一步的設計輸入輸出匹配。

第一級功率放大器的輸如輸出匹配設計模型和仿真結果如圖3和圖4所示。

從圖中可以看出S11<-20dB，增益能達到20dB，駐波比VSWR1<1.3，所以匹配電路的設計符合設計的指標。

3.4 功率放大模塊整體的設計

將功率放大器建模，第一級、功分器、第二級、功率合成器整體聯合仿真，仿真模型和仿真結果如圖5所示。

根據仿真結果可以得知，功率放大模塊符合設計指標，在9.3GHz～9.4GHz頻段輸出功率可以達到要求，各項傳輸系數和反射系數符合要求。

4 總 結

本文結合微波功率放大器的設計流程，根據設計的技術指標，選用的是砷化鎵（GaAs）和（GaN）材料的器件，采用多路功率組件合成的形式設計出有一個X波固態功率放大模塊，能夠在要求的9.3～9.4GHz的頻段內，實現輸入15dBm脈沖波，輸出波功率達到30W，增益30dB，駐波比<1.3。

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[9] 張 亮.X波段脈沖功率放大器的設計與實現[D].上海：上海交通大學，2009.