S-C頻段寬帶250W功率放大器的設計

陳昱宇 劉聞 李棟

摘要 為滿足通信、電子信號系統對超寬帶大功率發射源的需求，研制一款工作在s-c頻段，頻率范圍覆蓋2GHz-6GHz的超寬帶功率放大器。目前該頻段單芯片最大輸出功率僅25W，故選用1 6只芯片通過由威爾金森功分器和3dB電橋組成的超寬帶低插損合成網絡進行高效功率合成。經一系列結構、電路優化設計后，組件最終在260*190*30mm3體積下實現了2GHz-6GHz范圍內≥250W的功率輸出，功率增益≥54dB，小信號增益平坦度≤±2.5dB，電源效率≥20%，信號雜散抑制≥70dBe。

【關鍵詞】高效率 超寬帶 大功率 威爾金森功分器 高雜散抑制

本文對一款工作在S-C頻段，頻率范圍覆蓋2GHz～6GHz的250W固態功率放大器的研制進行了總結。放大器內部采用16只輸出功率≥25W的GaN功放芯片進行合成，合成網絡由威爾金森功分器和3dB電橋組成;在功放內部設計有多重低頻濾波網絡、用于改善信號雜散抑制度;通過功放內部的結構、電路優化，最終功放體積為260*190*30mm3。

1 驅動放大單元設計

實現驅動放大器的高增益指標需采用多級放大器進行級聯。在實際應用條件下，因各級放大器輸入輸出駐波、傳輸介質不連續、加工裝配、誤差等因素影響，放大器級聯后增益平坦度與理論值相比存在不同程度的惡化，尤其在寬頻帶內，級間的反射相位有時疊加有時抵消，增大了起伏。改善放大鏈增益平坦度通常有兩種途徑：

（1）選用均衡器對增益進行補償;

（2）選用增益曲線互補的放大器級聯。

為改善增益平坦度，驅動放大器設計時采用以下措施：

（1）在驅動放大器輸入端加Ⅱ型衰減器調節放大鏈增益和改善輸入駐波;

（2）選用三級增益曲線在2GHz-6GHz范圍內互補的放大器級聯;

（3）在驅動放大器級聯加入均衡器，均衡器作用為對頻率增益特性進行糾正和降低兩級放大器間的互耦，減小模塊發生自激的可能。均衡器采用砷化鎵工藝制作，頻率覆蓋2GHz-6GHz，輸入輸出駐波比均<1.4，增益均衡量5dB。

經增益平坦度優化后驅動放大器理論增益≥45dB，增益平坦度≤土1 dB，小信號增益2GHz處最低，6GHz處最高，輸出功率≥40dBm。依據工程經驗，最終驅動放大器增益平坦度≤ 土1.5 dB。

2 功率放大單元

功率放大單元由輸入功分網絡、輸出功率合成網絡和16只GaN功率放大器單片組成。

氮化鎵為第三代半導體材料，具有高跨導值、高擊穿電壓、高輸出功率密度、高輸出阻抗等優勢，因此十分適合當代射頻功率放大器特別是超寬帶功率放大器的設計。本功放選用的功率單片工作參數如下：在2GHz-6GHz范圍內，飽和輸出功率蘭44dBm，功率增益≥20dB，效率≥30%。考慮合成損耗及實際應用環境，16只功率單片合成完全可以實現≥250W的功率輸出。

實現超寬帶的功率合成，常用的合成器形式包括多階威爾金森功分器、LANGE橋、E-T結波導功分器等。由于工作頻率較低，工作在該頻段的波導尺寸較大，且寬頻段的波導到微帶線的轉換較復雜，不建議使用。威爾金森功分器和LANGE耦合器尺寸較小、可與其它形式的微帶電路集成在同一塊印制板上、易于調諧，成為應用面最廣的合成方案。

3 電磁屏蔽與接地設計

由于加工誤差、裝配工藝、設計理念等影響，通常微波放大器完成封裝后，蓋板與盒體會存在一定數量的縫隙;放大器外部的接插件等都可能成為外界輻射信號的傳輸通道。切斷通道的途徑如下：

（1）有條件盡量采用激光封焊、平行封焊等可實現氣密的封蓋方式;

（2）對于放大器件所在腔體，采用2層甚至多層封蓋的方式;

（3）針對螺釘封蓋，盡量增加螺釘數量并優化固定螺釘分布位置，減小蓋板形變。

實現良好接地的途徑包括：

（1）盡可能增大接地面積，接地面積越大，等效接觸電阻越小;

（2）要求接地面具有較高的平整度，平整度越高，等效接觸面積越大;

（3）放大器外部接插件與殼體實現緊密接觸，保證接地良好。

4 結構優化

為滿足功率放大器在多種應用場合下的適應性，采取多種結構優化措施。結構優化主要包括外界相連的接口的優化和與尺寸的小型化兩方面。

接口優化措施包括：

（1）射頻接插件選用標準50歐姆阻抗SMA-K接頭，方便與各種應用系統的集成;

（2）電源控制接口選用標準連接器（可依據不同系統的需求在J30J、J30、J14等多種標準接口間進行選擇）;

（3）優化接口布局，實現大小信號隔離、高低頻信號隔離，提高產品的易用性。

尺寸小型化通過功率放大單元小型化和多層電路結構技術實現。功率放大單元內部元器件盡量選用MMIC;選用高介電常數的射頻板材作為微帶電路載體;選用小型化的微波接插件。通過上述措施，內部80w功率模塊體積為70*40*12mm3。功放整體設計時采用多層電路方案。驅動放大級、功率放大單元在同一層，電源監控單元分2到3層，避開功放內部發熱量較大的區域，層間互聯通過小型化接插件實現。通過上述措施最終將功放體積控制在260*190*30mm3。

5 研制結果

功放產品實物照片如圖l所示。實測結果顯示：在2GHz-6GHz范圍內，功放輸出功率≥54.5dBm（連續波）、≥55.2dBm（占空比40%）;功率增益≥56dB;小信號增益平坦度≤±2dB;電源附加效率典型值25%（最大31%），優于設計預期。

6 總結

本文介紹了一款工作在S-C頻段，頻率范圍覆蓋2GHz-6GHz的超寬帶大功率放大器，介紹了放大器的指標分配、電磁屏蔽與接地設計、小型化處理方法，對功分、合成網絡進行了理論分析。功放最終輸出連續波功率大于250W，電源附加效率典型值25%，若后續采用更大功率的功放芯片，還可以獲得更高的功率輸出，適用于多種對大功率、超寬帶特性有較高要求的通信、電子信號系統。

參考文獻

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