C波段大功率脈沖功放設計與實現

熊 偉， 陳 凱， 雷 鷗

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

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C波段大功率脈沖功放設計與實現

熊 偉， 陳 凱， 雷 鷗

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

作者設計與實現了一款C波段的微波固態大功率脈沖功率放大器，在其所需頻段內飽和輸出功率大于140 W，發射鏈路增益高達51 dB。并介紹了該功放的主要技術指標、特點以及原理框圖。研究了該功放的穩定性問題，使用ADS仿真軟件對鏈路的穩定因子與源-負載穩定圓進行了分析。探討了使用90°分支線的正交功率合成的方法。經實際使用表明，該功放功率大、體積小且可靠性高。

大功率脈沖功率放大器； 雷達固態發射機； 穩定性問題； 正交功率合成

0 引 言

固態發射機應用于現代雷達已經成為一種主流。我國自上世紀70年代開始全固態雷達發射機的研制，目前固態發射機已經趨于成熟。

固態發射機的核心部分是固態功放鏈路，而前級功率放大器位于整個鏈路的最前端。其性能好壞直接關乎整個鏈路的綜合效能。因此盡可能提高前級放大器的輸出功率,使之盡可能抵消功分網絡的損耗，提高后級功放的輸入功率[1-7]。

本文研制了一種工作于C波段的大功率固態脈沖功率放大器，為提高雷達前級功放輸出功率提供了一種解決途徑。

1 固態功放主要指標與特點

固態功放主要指標如下:固態功放的技術特點：

(1) 高功率設計。固放飽和輸出脈沖功率超過140 W，需考慮驅放鏈路分配以及功率合成問題。

(2) 高增益設計。固放增益超過51 dB，需要考慮電路的穩定性問題,技術參數分別為:工作頻段C波段,飽和輸出功率140 W,增益51 dB,供電電壓28 V。

2 固態功放的設計

固態功放由微波電路與電源控制電路構成。其中微波電路由微波開關、驅放鏈路、末級功放以及隔離器等組成；電源控制電路包括DC/DC轉換電路、電源調制電路等[8-9]。固態功放原理框圖如圖1所示。

圖1 固態功放原理框圖

微波信號經開關以及驅放鏈路放大進入末級功放。2只80 W的末級功放采用正交合成的方式獲得150 W的脈沖功率，經隔離器損耗后輸出140 W的脈沖功率。開關置于功放鏈路的最前端，可以極大地改善脈沖波形的邊沿特性。

其中驅放鏈路將微波小信號逐級推動放大至35 W的飽和功率輸出，鏈路增益高達43 dB。末級功放采用2只80 W大功率管通過分支線電橋正交合成，輸出150 W的脈沖功率。

驅放鏈路前三級為微波單片集成電路(MMIC)，第四級為微波內匹配功率管。MMIC具有單級增益高，穩定性好，外圍電路少的特點，三級級聯增益高達33 dB。第四級使用內配管，單級增益10 dB，飽和輸出功率35 W。

3.1 功放管的穩定性分析

放大器的穩定性設計是需要首先考慮的因素，功率放大器穩定性及穩定區域可以根據穩定因子和輸入、輸出穩定圓圖來確定。穩定因子又稱k因子[10-11]，其公式如下：

其中:Δ=S11S22-S12S21。若在工作頻帶內k因子均滿足大于1的條件，則放大器是絕對穩定的；若不滿足，則需要進一步找出放大器的不穩定區域。根據廠商提供的功率管S參數，利用 ADS[12]中穩定性分析軟件進行分析，得出放大器在工作頻帶內k因子均滿足大于1的條件，表示功率放大器是絕對穩定的。ADS仿真放大器源-負載穩定性分析模型、放大器穩定因子以及源與負載穩定性圓見圖2～4。

3.2 功率合成設計

末級功率放大采用90°分支線的方式進行正交功率合成[13-14]。90°分支線的主要特點是在理想情況下，輸入端口的反射系數為零，而與分支線所接的兩個放大器輸入端口的反射系數無關，可以極大改善合成模塊的整體輸入駐波。90°分支線具有插入損耗小，幅度和相位一致性高的特點，從而可以提高功放的合成效率。

圖2 ADS仿真放大器源-負載的穩定性

圖3 放大器穩定因子

圖4 源與負載穩定性圓

90°分支線HFSS仿真模型和仿真結果分別如圖5、圖6以及圖7所示。仿真顯示，在所需的中心頻率附近，幅度的插損均小于0.2 dB，隔離小于-20 dB。各個端口的反射在所需的窄帶范圍內均小于-20 dB。

圖5 90°分支線HFSS仿真模型

圖6 90°分支線幅度與隔離仿真結果

圖7 90°分支線反射仿真結果

在末級功率放大中，將兩只80 W的大功率管通過90°分支線進行功率合成，分支線的隔離端口接大功率的負載電阻吸收因兩路不平衡引起的反射功率。

3 結 果

對脈沖功放的輸出功率、增益等指標進行了測試，其頻帶內的測試曲線見圖8。

圖8 固態功率放大器性能測試曲線

由圖8看出，固態功放在中心頻率±400 MHz的范圍內，輸出功率大于140 W，增益大于51 dB，性能符合設計指標。

4 結 語

本文充分利用GaAs固態半導體器件研制出C波段大功率脈沖功率放大器。隨著微波半導體功率器件的發展，特別是第三代寬禁帶半導體器件GaN功率晶體管的涌現[15]。這使得固態功放可以具有輸出功率更高、工作頻率更高、帶寬更寬以及適合高溫工作和抗輻射能力強等優點。本文需要重點關注、跟蹤國內外器件的研制進展情況，為更高性能的固態功率放大器的研制奠定基礎。

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Design and Realization of C-Band High-Power Pulse Power Amplifier

XIONGWei，CHENKai，LEIOu

(Shanghai Aerospace Science and Technology Institute， Shanghai 201109, China)

A C-band microwave state high-power pulse power amplifier is designed and realized. The saturated output power is more than 140 W and the gain of transmitting link reaches 51 dB in the required band. This paper introduces the main technical index, features, schematic diagram of the power amplifier．And the stability of the power amplifier is studied. The software ADS is used to analyze stability factor and source-load stability circle. The method of orthogonal power combination is also discussed. It indicates by practice that the amplifier is gained high power, small size and high reliability.

high-power pulse power amplifier； radar transmitting machine； stability； orthogonal power combination

2015-01-20

熊 偉(1981-)，男，重慶人，碩士，工程師，主要從事微波電路及雷達T/R組件的研究工作。

Tel.：13816428891；E-mail：xiongwei_20@163.com

TN 957.3

A

1006-7167(2015)10-0069-03