一種X波段功率放大組件設計

貴州航天計量測試技術研究所 高 峯 廖海黔 賴寒昱

一種X波段功率放大組件設計

貴州航天計量測試技術研究所 高 峯 廖海黔 賴寒昱

本論文主要研究和設計了一種X波段GaN線性固態功率放大器組件，該固態放大器由功分器、可變增益放大器、功率放大器和隔離器等模塊組成。電路采用一種混壓階梯結構的PCB工藝方式，將微波電路與控制電路集成在一張電路板上，實現了兩路同時最大輸出功率達30dBm的功率放大組件。最后經實測結果表明，功放組件在X波段250MHz帶寬范圍內最大輸出功率+30．48dBm，帶內平坦度優于±1dB。諧波抑制度優于-55dBc。

功率放大組件；混壓階梯結構；GaN；X波段；輸出功率；諧波抑制度

1 引言

功率放大器是無線通信系統中一個關鍵的組件，航天應用對功率放大器的功耗、線性度、體積、重量、抗輻照和氣密封裝有較高的要求[1]。目前，以GaN、SiC為代表的寬禁帶材料工藝的成熟，為寬禁帶功率器件取得了很大的發展，憑借其眾多優勢使之更適合制造高溫、高功率器件[2]。

2 工作原理

根據項目需求，需設計一功率放大組件，工作頻率為X波段，帶寬為0.25GHz，兩路信號全頻段最大輸出的功率為+30dBm±1dB，諧波抑制優于-30dBc。

功放組件原理框圖如圖1所示，輸入信號功率為0dBm±1dBm，經過威爾金森功分器將信號分為兩路，通過控制VGA增益驅動使功率放大器達到最大輸出。其中VGA選擇HMC694，該器件1dB壓縮點為19.5dBm，最大增益為18dB。控制電壓范圍為-2V～0V。為了便于外部FPGA控制，控制電壓前端使用運算放大器作反向電路最終使控制電壓范圍為0V～2V。

圖1 原理框圖

功率放大器采用Triquint的TGA2627該芯片最大輸出功率達2W的功率放大器，其具體參數見表1。

表1 TGA2627功率放大器的主要指標參數

TGA2627除了上述主要指標以外，還有一個重要的指標就是可以實現輸出信號諧波抑制小于-40dBc。

隔離器采用GDK-900A，隔離度≥20dB，插損約為1dB，工作頻率為X波段。

3 電路設計

由于功率放大組件電路要實現大功率信號輸出與良好的散熱性，往往會通過將微波電路與外部電路分開設計的方法來達到降低信號串擾的影響。為了盡可能減小模塊尺寸并兼顧良好的散熱性能，減少局部高溫對功率器件輸出性能惡化的影響，本文中PCB采用了一種階梯結構實現。[3]由表1可知，該電路中得主要發熱器件為TGA2627與HMC694，其中TGA2627功耗達9.75W，射頻信號最大輸出功率為2W，其余功耗均作為熱量進行傳遞，所以需要對其電路布局進行特殊處理。具體處理方法如圖2所示。

圖2 功放組件電路布局

圖2 階梯結構處理示意圖

圖3 PCB板與鍍銀金屬底板

該電路板為6層混壓板，第一介質為Rogers5880，其余層介質為FR4。為了將工作中放大器的熱量盡快的傳遞至腔體散熱，所以將這些器件底部的FR4介質層去除，并配合一張鍍銀金屬底板與PCB底面粘和。如圖3、圖4所示。

4 實驗結果

當功率放大組件輸入功率為0dBm時，以10MHz為步進測試帶寬范圍內其輸出功率，測試結果如表2所示。以50MHz為步進測試其二次諧波抑制度，其結果如表3所示。

表2 功率放大組件兩端口輸出功率測試結果

表3 功率放大組件兩端口輸出信號諧波抑制

由表2、3所示可見該功放組件滿足了預期指標要求。

5 結論

本文采用多層混壓階梯PCB結構設計了一款X波段功率放大器，該固態放大器由功分器、可變增益放大器、功率放大器和隔離器等模塊組成。多層混壓階梯結構將微波電路與控制電路集成在一張電路板上，實現了兩路同時最大輸出功率達+30dBm的功率放大組件。最后實測時，功放組件在X波段250MHz帶寬范圍內最大輸出功率+30.29dBm，帶內平坦度優于±1dB，諧波抑制度優于-64.46dBc。

[1]裴晨．高效率S波段GaN線性功率放大器的設計與實現[學位論文]．南京理工大學電子與通信工程,2013．

[2]楊斐,周永偉．S波段GaN大功率放大器的設計與實現[J]．火控雷達技術,第157期．

[3]宋建遠,彭衛紅．高頻混壓階梯板制作技術研究[J]．印制電路信息,2011(z1)．