基于GaN器件的L波段固態功放研制

王曉會

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

作為衛星通信等系統的主要部件，星載功率放大器包括行波管功率放大器(TWTA)和固態功率放大器(SSPA)兩種類型。由于效率、功率等優勢，TWTA在星載功率放大器中占據主要地位[1-3]。近年來，由于功率密度大、線性度、高功率、高增益、耐高溫、抗輻射、長壽命等優點[4-6]，GaN HEMT器件得到了迅速發展，尤其在S頻段以下，GaN器件效率、功率等指標已經與行波管相當[7-9]， 基于GaN器件的SSPA優勢逐漸顯現。

GaN器件在SSPA中的應用也逐漸成為國際研究熱點。在UHF波段，國外SSPA輸出功率100 W，效率達到70%[10]；在L波段，已有輸出功率300 W，效率44%的SSPA產品介紹[11]；在S波段，SSPA輸出功率240 W，效率54.5%[12]。GaN器件在SSPA中的應用逐漸擴展到C波段，文獻[13]中SSPA輸出功率69.4 W，放大效率38.9%。我國也進行了GaN固放的研究，L波段SSPA輸出功率47.2 dBm(52.48 W)，效率大于52%[14]。

本文采用GaN器件設計了L波段一體化星載功率放大器。在L波段(f0±40 MHz)，固態功放的輸出功率達到137 W(51.37 dBm)，功率增益74.7 dB，功率效率48.5%，雜散抑制63 dBc，-25～60 ℃內，輸出功率波動<0.2 dB。熱仿真結果顯示，在60 ℃環境下，GaN器件結溫為137 ℃。為了驗證其壽命，固放經過了殼溫70 ℃的加速壽命試驗，試驗時間超過5 000小時，固放工作正常，給該波段SSPA替代TWTA提供了重要的試驗數據。

1 固態放大器方案設計

1.1 設計原理

固放由射頻放大電路和二次電源兩部分組成。射頻放大電路部分包括衰減放大電路單元、推動放大單元、功率放大單元。二次電源提供+28 V，+9.5 V和-5 V電源電壓，遙控遙測包括開關機控制、開關機狀態指示、電流遙測指示、功率遙測指示功能，設計原理框圖如圖 1所示。

圖1 L波段星載固態功率放大器電原理框圖

2.2 射頻鏈路設計

固放射頻鏈路設計包括衰減放大、推動放大、功率放大和功率分配/合成器幾個部分。

衰減放大包含3個主要器件：模擬衰減器、低噪聲放大器和增益放大器，在固態功率放大器中主要實現增益控制的功能和放大功能。……