Ka頻段300 W固態功率放大器設計

劉士奇，周 云，王 崇，鄭 昕，陳 鐳

( 1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.陸軍北京軍代局駐石家莊地區軍代室，河北 石家莊 050081；3.中航飛機股份有限公司，陜西 西安 710000；4.成都天劍科技有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

在毫米波衛星通信系統中，功率放大器是系統的核心設備之一。為了實現更高傳輸速率、更強抗干擾能力和避免對臨道的干擾，系統對功率放大器的輸出功率和線性度要求越來越高，一款高性能的功率放大器可以提升整個系統的工作能力[1-4]。

第三代半導體材料GaN與第二代半導體材料GaAs相比，具有高臨界擊穿電場、高熱導率和高功率密度等優點。相比于GaAs功率放大器和行波管功率放大器，GaN固態功率放大器具有體積小、結構緊湊、使用壽命長和環境適應性強等優勢，基于GaN的半導體器件已在衛星通信、航天測控等領域廣泛應用，具有廣闊的應用前景[5-6]。

本文基于國產化GaN芯片研制了一款寬帶、高功率、高線性度的Ka頻段固態功率放大器產品，對功率放大器整機原理，分、合路器結構的設計制作等進行了介紹。該功率放大器可廣泛應用在衛星通信領域。

1 整機方案設計

Ka頻段300 W固態功率放大器整機主要由衰減器、線性化驅動放大器、功率放大器模塊、耦合檢波器、監控單元、電源模塊和風機等組成，如圖1所示。

圖1 Ka頻段300 W固態功率放大器原理Fig.1 Functional block diagram of Ka-band 300 W SSPA

分路器將輸入信號分為2路：一路用于對輸入信號進行功率檢測；另一路進行功率放大并輸出。衰減器由放大器和數控衰減器芯片組成，可以實現高精度和小步進衰減，高精度增益調節和輸入功率檢波。線性化驅動放大器可以提供需要的增益和足夠的驅動功率，同時線性化電路部分還可以改善整機的線性度。功率放大器模塊由32路功率放大器芯片合路組成，保證大于300 W的功率輸出。耦合器將功率放大器模塊輸出的信號輸出，并耦合出3路信號：一路用于射頻采樣，另外2路分別用于正向檢波和反向檢波。電源模塊將輸入的220 V交流電轉換為+20，+8，+12 V為各模塊供電。監控單元采集各模塊的信息，并將輸入功率、輸出功率、反射功率、溫度、增益、電流、電壓和風機轉速等信息上報給站控，監控單元在特定情況下可關閉電源輸出以保護設備。

2 主要模塊設計

2.1 高效高隔離度合成器

由于單只功率放大器芯片輸出能力有限，多路功率合成的方式是實現大功率輸出的唯一途徑。波導內的空間功率合成方式具有損耗低、效率高、易加工和易散熱等優勢，因此在毫米波頻段多采用各種形式的波導-微帶轉換結合波導功率分配/合成的形式實現功率合成[7-17]。

在綜合分析各種功率分配/合成結構優缺點的基礎上，設計了一種基于波導E-T型結的新型功分器，通過在傳統波導E-T結功分器中加入探針過渡、吸收負載的方式，將傳統波導E-T型結的三端口傳輸特性設計成波導四端口特性，在插入損耗、2路輸出隔離度、寬頻帶及小體積等各方面相比于傳統功率分配/合成結構都有很大提高。

高隔離度二分路器三維模型如圖2所示。

圖2 高隔離度二分路器三維模型Fig.2 Model of power divider

高隔離度二分路器仿真結果如圖3所示。

圖3 高隔離度二分路器仿真結果Fig.3 Simulation results of power divider

由圖3可以看出，相比傳統的E-T結功分器，隔離度由6 dB改善為20 dB，可以改善隔離度不高造成的芯片間信號干擾，使芯片工作更穩定。

基于高隔離度新型E-T結功分器制作的單元功率放大器模塊如圖4所示。模塊實現了8路12 W放大器芯片合成，經測試，該模塊可在25～31 GHz實現大于80 W的功率輸出。

圖4 Ka頻段功放模塊Fig.4 Picture of Ka-band power amplifier module

以該單元功率放大器模塊為基礎，可以根據不同的功率需求，采用波導空間功率合成的方式再次進行功率合成，實現所需要的輸出功率。本文使用改進型高隔離度E-T結功分器為基本單元，通過級聯的方式實現4路功率分配/合成，同時在合路器支臂中加入高通濾波器，實現對接收頻率的抑制，可以有效改善噪聲譜密度。分/合路器仿真模型如圖5所示。分/合路器仿真結果如圖6所示。

圖5 分/合路器三維模型Fig.5 Model of power divider and combiner

圖6 分/合路器仿真結果Fig.6 Simulation results of power divider and combiner

2.2 預失真線性化技術

隨著衛星通信技術的發展，系統對傳輸信息量、傳輸速率及傳輸質量越來越高，對毫米波功放的線性度的要求更高。目前，Ka頻段GaN功率放大器芯片在多路合成時無法滿足系統對三階互調指標的要求，為了更好地滿足使用要求，需要采用預失真線性化技術以改善整機的三階互調指標。

本文基于模擬預失真的方法設計了一種線性化器，相比于其他方式，模擬預失真線性化器具有頻帶寬、穩定性高、成本低和電路簡單的優勢[18-19]。

預失真線性化器設計原理框圖如圖7所示。基本思想是通過在90°分支線電橋的支路上使用肖特基二極管改變電橋耦合及直通支路上的反射系數，以改變預失真線性化器的輸入輸出端口間的傳輸系數，實現與固態功放非線性失真相反的趨勢，從而抵消固態功放自身的非線性失真。

圖7 線性化器原理Fig.7 Principle block diagram of predistortion linearizer

線性化器實物圖如圖8所示。

圖8 線性化器Fig.8 Picture of predistortion linearizer

線性化器幅度、相位測試結果如圖9所示。

圖9 線性化器幅度、相位測試結果Fig.9 Results of amplitude and phase test of predistortion linearizer

通過調節饋電電壓和調諧單元，選擇適當的工作點，使預失真器非線性呈現與功放相反的趨勢，并與功放的趨勢互補，相互抵消，以優化功放的線性度。

線性化模塊組成框圖如圖10所示。預失真線性化器前后要配置有增益可調放大模塊，增益可調模塊的作用是調節預失真線性化器的輸入功率范圍，使其與末級的固態功放模塊區間相吻合，從而達到相互抵消的目的。

圖10 線性化模塊組成框圖Fig.10 Block diagram of predistortion linearizer module

利用上述方案，研制了預失真線性化驅動模塊，在整機中加入線性化驅動放大器模塊，整機的三階互調值由-23.5 dBc提高到-28.8 dBc。

3 整機設計及實測結果

Ka頻段300 W功率放大器作為通信鏈路的關鍵設備，需要不斷電長時間工作在室外環境中，在設備指標合格的前提下，需要盡可能提高設備的可靠性。考慮到設備工作在不同的環境條件，不僅需要充分考慮設備的散熱，還需要配置完善的監測功能實現對設備的監控和保護。

通過在各關鍵部件裝配參數傳感器，設備的監控單元可以實時監測設備的輸入功率、輸出功率、反射功率、功放模塊的溫度和每只功放芯片的電流等狀態參數，操作人員可以通過站控讀取設備的增益、輸出駐波、輸出功率、反射功率、溫度和電流等參數，可通過設置衰減調節設備增益。當設備輸出駐波異常、電流或溫度超過設定的閾值時，設備的監控單元關斷電源輸出，以保護功放模塊。

Ka頻段300 W功率放大器整機實物如圖11所示。該功放散熱方式為風冷，機箱采用均溫板材料，使發熱量最大的功放模塊的熱量能均勻到機箱，最大程度降低設備的溫升。通過測試，設備在300 W功率輸出時，設備溫升約為25.5 ℃，即使在55 ℃的條件下，仍能可靠運行。

圖11 Ka頻段300 W功率放大器實物Fig.11 Picture of Ka-band 300 W power amplifier

對Ka頻段300 W功率放大器進行全指標測試，其主要測試指標如表1所示。

表1 Ka頻段300 W功率放大器測試結果
Tab.1 Test results of Ka-band 300 W power amplifier

項目測試結果工作頻率/GHz輸出功率/dBm三階互調/dBc雜散/dBc功耗/W25～3155.2-28.8-65.72 100

由測試結果可以看出，該功率放大器性能指標優良。

4 結束語

本文介紹了一種Ka頻段固態功率放大器的設計，通過多路功率合成實現300 W的連續波功率輸出，三階互調指標優于-25 dBc功率合成效率優于90%，整機效率優于16%，整機重量小于23 kg。設備通過了高溫、低溫、震動、淋雨、低氣壓和電磁兼容等各項試驗，各項性能指標均滿足要求，配置了完善的監控功能，針對工程應用進行了多項設計，具有廣闊的市場前景。