一種L波段固態(tài)功放的設(shè)計(jì)

張紅英 沈曉唯 楊晶晶 雒寒冰 張理正

摘要：本文介紹了一種L波段20W固態(tài)功放的設(shè)計(jì)方案，包括功能組成、微波模塊和電源模塊的設(shè)計(jì)、功耗分析等。給出了該功放的關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)試值，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：固態(tài)功放；L波段；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）06-0147-02

真空管、固態(tài)功放都可實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的放大。真空管主要適用于高功率場(chǎng)合，固態(tài)功放因其工作電壓低、質(zhì)量輕體積小，適用于幾百瓦以內(nèi)的中等功率需求。目前，在通信、遙測(cè)、雷達(dá)等領(lǐng)域，高功率、高效率、小型化、性能優(yōu)良的固態(tài)功放已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。本文所述固態(tài)功放用于發(fā)射系統(tǒng)的前級(jí)驅(qū)動(dòng)，為配合整機(jī)需求而研制。文中采用了已經(jīng)成熟并廣泛使用的砷化鎵FET管放大器，其具有噪聲低、相位線性度好、動(dòng)態(tài)范圍大、效率高、穩(wěn)定可靠、供電簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

1 功能與主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 功能要求

功放具體功能如下：（1）放大輸入的發(fā)射信號(hào)；（2）提供輸出信號(hào)功率遙測(cè)；提供功放溫度遙測(cè)。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

頻率范圍：中心頻率f0±8MHz；

輸入功率：-10dBm±3dB；

輸出功率：≥43dBm（20W）；

輸出信號(hào)諧波抑制：≥55dBc；

輸出信號(hào)雜波抑制：≥60dBc；

輸出信號(hào)帶外抑制：≥40dBc；

額定電壓：25V～31V；

設(shè)備功耗：不大于80W。

2 方案設(shè)計(jì)

功放由微波模塊和電源模塊兩部分組成。微波模塊的主要功能是：（1）放大射頻信號(hào)；（2）提供功率檢波電平；（3）抑制諧雜波。電源模塊的主要功能是：（1）為微波放大鏈路提供電源；（2）把檢波電平放大到系統(tǒng)所需功率遙測(cè)電平范圍；（3）溫度遙測(cè)功能。

2.1 微波模塊設(shè)計(jì)

微波模塊作為功放核心組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入功率放大、功率遙測(cè)等功能。微波模塊由電調(diào)衰減器、線性放大電路、功率放大電路組成、耦合檢波電路及直流放大電路組成。隔離器能改善輸入、輸出端口駐波和提高抗負(fù)載失配能力。

微波模塊的工作原理：輸入功率為-10±3dBm的微波信號(hào)，通過微波模塊將功率放大至43.3dBm左右，經(jīng)隔離器隔離后輸出。輸入通過隔離器與電調(diào)衰減器，電調(diào)衰減器的衰減量由輸入信號(hào)經(jīng)放大后的耦合檢波電平控制，使固態(tài)功率放大器在輸入功率改變和溫度改變時(shí)，放大器放大后的信號(hào)輸出功率保持基本不變，放大器最后經(jīng)由隔離器輸出，輸出功率為43.3dBm，鏈路的最大增益大于54dB。放大鏈路由四級(jí)放大器組成，第一級(jí)為放大器模塊，第二、三、四級(jí)為GaAs FET管。輸出端接隔離器提高功放抗失配能力，有效保護(hù)功放組件。耦合檢波電路將耦合所得信號(hào)線性檢波為直流電平，經(jīng)運(yùn)放驅(qū)動(dòng)放大后為整機(jī)提供實(shí)時(shí)輸出功率檢測(cè)。

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

電源及控制電路主要實(shí)現(xiàn)功放電源保護(hù)、浪涌抑制、電源濾波、二次穩(wěn)壓、功率遙測(cè)、溫度遙測(cè)等功能。

電源模塊的工作原理：將整機(jī)輸入一次母線電壓穩(wěn)壓至+9.5V，正電壓為微波放大鏈路供電，經(jīng)二次穩(wěn)壓后為功率遙測(cè)電路供電。通過運(yùn)放將功率檢波電平放大至要求范圍，提供功率遙測(cè)電平；配備熱敏電阻，方便整機(jī)對(duì)功放內(nèi)部溫度檢測(cè)。

2.2.1 電源保護(hù)

為防止功放電源短路導(dǎo)致?lián)p毀整機(jī)電源，在功放供電端添加電源保護(hù)電路。電源保護(hù)電路原理見圖1。

由圖1可見，熔斷器F1和F2具有相同額定電流，由于F2中串聯(lián)限流電阻R，使F2支路具有較大抗電沖擊能力。當(dāng)負(fù)載發(fā)生瞬間過流時(shí)，F(xiàn)1首先熔斷，F(xiàn)2可繼續(xù)維持通路。

2.2.2 浪涌抑制

考慮到DC-DC會(huì)在開啟的瞬間產(chǎn)生較大的浪涌電流，所以必須在一次母線上增加浪涌抑制電路，電路原理見圖2。

如果直接給DC-DC模塊加電啟動(dòng)，很大的浪涌沖擊會(huì)給一次母線造成影響。通過慢啟動(dòng)電路，使電路中開關(guān)管緩慢打開，可以抑制巨大的沖擊電流。

2.2.3 電源濾波

電源轉(zhuǎn)換模塊的作用是將一次電源電壓轉(zhuǎn)換為各級(jí)放大管可使用的電壓。根據(jù)電源需求，選擇了Interpoint公司的電源濾波器與電源轉(zhuǎn)換模塊。

2.2.4 功率遙測(cè)

微波模塊中耦合檢波器輸出功率檢測(cè)電平，經(jīng)功率遙測(cè)電路放大后為整機(jī)提供實(shí)時(shí)功率檢測(cè)。采用運(yùn)放7F158進(jìn)行放大。

2.2.5 溫度遙測(cè)

選用MF501型熱敏電阻。

2.3 功耗分析

功放的功耗主要由微波模塊的功耗及DC-DC的功耗構(gòu)成。穩(wěn)壓電源將一次電源穩(wěn)壓至+9.5V，作為微波模塊的漏極工作電壓。微波模塊采用放大器模塊以及GaAs FET管，各器件的總功耗為60W，電源模塊效率按80%，則總功耗為75W，功耗滿足任務(wù)書要求。

3 關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)試情況

技術(shù)指標(biāo)測(cè)試情況如表1所示，關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)均滿足技術(shù)要求。

4 結(jié)語

本文主要從固態(tài)功放的組成、工作原理、微波模塊電路設(shè)計(jì)、電源模塊電路設(shè)計(jì)、功耗設(shè)計(jì)等方面對(duì)L波段20W功放進(jìn)行分析。該固態(tài)功放經(jīng)測(cè)試，關(guān)鍵性能指標(biāo)均滿足技術(shù)指標(biāo)要求，工作穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1]廖承恩.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[2]美）路德維格.射頻電路設(shè)計(jì)——理論與應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，2008.

[3]鄭新.新型半導(dǎo)體功率器件在現(xiàn)代雷達(dá)中的應(yīng)用研究（Ⅰ）[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2009，34（09）：828-832.

[4]鄭新.新型半導(dǎo)體功率器件在現(xiàn)代雷達(dá)中的應(yīng)用研究（Ⅱ）[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2009，34（10）：937-941.

Abstract：This paper introduces a design scheme of L band 20-watt Solid-state Power Amplifier，including function composition、design of mocriwave module and power module，power consumption analysis. In this paper，the key test value of the amplifier is given，and the design result is verified.

Key words：solid-state power amplifier； L band； design