S頻段60W功率放大器設計

摘要：目前，固態功率放大器具有大功率、寬頻帶、小型化、高可靠性以及低成本等特點。本文使用ADS的負載牽引技術對預匹配功率管進行匹配電路設計和優化，仿真結果顯示單管輸出功率大于40W。90°表貼3dB電橋進行兩路功率合成，最終輸出功率大于60W，PAE不小于30%，增益平坦度優于±0.3dB。

關鍵詞：ADS;負載牽引;寬帶功率放大器;

中圖分類號：TN722.75? ? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1007-9416（2020）04-0000-00

0引言

近幾年，隨著寬禁帶半導體材料工藝的進步，GaN功率器件因具有寬頻帶、大功率、高效率、高散熱以及抗輻照等優勢而被越來越多的應用于相控陣雷達、無線通訊技術和航空航天等領域中[1]。

本文針對目前需求較大的S頻段功放模塊，遵循模塊化和小型化原則，選用國外CREE公司的某款GaN HEMT，利用其大功率仿真模型設計了一款輸出功率大于60W且具有環路增益控制功能的放大模塊，具有較好的增益平坦度，不僅可滿足相同功率量級的通用化需求，而且在更大功率的合成和相控陣組件應用中仍可廣泛使用。

1末級放大電路仿真與設計

根據連續波使用需求，功率放大器工作在AB類可有效減小靜態功耗，同時滿足動態范圍內的增益需求，通過掃描功率管的I-V特性曲線可選擇合適的靜態工作點。

如圖1所示，該功率管靜態工作點選取為Vds=28V，Ids=0.606A。

根據功率管的資料可選擇最佳源阻抗和負載阻抗作為初始值，然后通過軟件的負載牽引模板進行驗證和調整，最終選擇虛部盡可能小的阻抗值，該阻抗值需同時兼顧功率和效率，圖2是在3GHz頻點，輸入功率為35dBm條件下的負載阻抗仿真結果，可以看出在負載阻抗為11.131-j*6.097時，功率管附加效率PAE為57.21%，輸出功率為48.42dBm。

對于跨倍頻程的寬帶功放，微帶匹配網絡設計尤為關鍵，此處我們選擇多節1/4波長匹配法，該方法的優點是根據指標需求可靈活控制節數來實現寬帶匹配目標。

根據負載牽引仿真結果得到的頻帶內最佳源阻抗和負載阻抗值，并建立諧波平衡仿真模型對微帶參數進行優化仿真，原理圖如圖3所示，優化仿真結果如圖4所示。

從仿真結果看，整個頻帶內飽和輸出功率不小于46.6dBm（45.6W），附加效率PAE大于44%，功率增益大于9dB，滿足設計要求;經制版加工調試后，實測結果輸出功率大于40W，附加效率PAE不小于38%。

選用IPP公司的表貼3dB 90°電橋進行功率合成，該電橋雖具有小型化的優點，但表貼焊盤引入的對地電容惡化了端口駐波，因此需要減小輸入輸出微帶線寬度以滿足級聯駐波需求。

2耦合檢波電路設計

末級功率管作為功率放大器的核心器件，處在射頻放大鏈路的最末端，工作狀態受輸出天線駐波影響較大，為保證長期可靠工作，同時為了減小維修成本，大功率的放大器設計通常需要增加對輸出端口前反向功率的實時采樣檢測電路，以達到保護整個功率放大器的目的。

射頻信號的功率采樣單元為定向耦合器，S頻段采用帶狀線形式的設計方式，可兼顧性能指標、體積和成本，在前反向輸出端口之間增加金屬結構隔墻可大大降低端口間的空間影響。

根據檢波器指標，需在檢波器輸入端增加合適的π型衰減器以降低最大輸入功率，改善輸入駐波，減少前反向檢波之間的相互影響;與此同時，采用表貼形式的檢波器雖然可減少成本和空間體積，但在S頻段范圍內檢波的頻響特性受空間輻射影響較大，需要在合適位置粘貼吸波材料以消除諧振響應。

3實物測試和結束語

最終測試結果如圖5所示。

本文設計了一款S頻段功率放大器，具有環路功率控制功能和高駐波檢測保護功能，帶內輸出功率不小于60W，功率平坦度優于±0.3dB;測試結果表明，采用ADS仿真軟件可以快速實現預匹配功率管的應用設計，縮短項目研制周期。

參考文獻

[1] 余樂.X頻段GaN MMIC功率放大器設計[D].西安電子科技大學.2017.

收稿日期：2020-03-11

作者簡介：陳創業（1987—），男，河北辛集人，研究生，工程師，研究方向：微波固態功率放大器。

Design of S-band 60 W Power Amplifier

CHEN Chuang-ye

（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei? 050081）

Abstract：At present，the solid–state power amplifier has the characteristics of high power，broadband，miniaturization，high reliability and low cost.In this paper，the load-pull technology of ADS is used to design and optimize the matching circuit of the pre-matched power transistor，and the simulation results show that the output power of sigle transistor is more than 40W.Then a SMD 90°-3dB hybrid is used for two-way power combining，the final ouput power is greater than 60W，PAE is not less than 30%，and the gain flatness is better than ±0.3dB.

Keywords：ADS;load-pull;broadband power amplifier