小型化高功率微波功率放大器的實現

張東

（中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北省石家莊市 050000）

高功率微波功率放大器在雷達、通信等領域有著較為廣泛的應用[1]。我國在微波功率放大器的研究上較歐美一些發達國家更晚，例如日本的富士通、三菱電機等公司研發出的放大器芯片較國產相比整體性能更高、輸出的功率更大[2]，在2017年由José Antonio 等人提出的12 路波導微帶探針鏈式合成網絡有著結構緊湊、體積小的特點[3]。目前行波管制成的功率放大器在市面上較為常見，由于在末級放大器上采用的是電子管，因此會有體積大、工作電壓力等不足之處。除此之外，我國工業領域使用的行波管放大器多數來源于進口，一旦放大器出現故障維修起來極為不便。固態放大器則能夠擺脫行波管放大器的不足之處，且就我國目前的技術水平而言完全能夠進行自主研發，以此滿足各項工程的需要[4]。本次設計應用的是20W 輸出功率的GaN 芯片作為末級放大器的芯片，并采用較小損耗的徑向波導管合成器實現功分/合成網絡，能夠實現小體積并提供大功率輸出。

1 高功率微波功率放大器設計要求

1.1 主要技術指標

1.1.1 工作頻段

放大器在正常工作中有固定的工作頻段范圍，當高于最高工作頻段或低于最低工作頻段放大器無法正常工作，工作頻段決定了功率放大器的帶寬。其中絕對帶寬定義為：

其中fh代表的是功率放大器的工作頻率上限，fl代表的是功率放大器的下限。功率放大器的相對帶寬定義為：

其中fo是功率放大器的中心頻率，20%是寬帶功率放大器和窄帶功率放大器的界限，當功率放大器的相對帶寬高于這個值為寬帶功率放大器，小于這個值則為窄帶功率放大器，一般情況下寬帶功率放大器的設計難度會更高。

1.1.2 輸出功率

射頻信號傳遞給放大器后，對于放大器而言能夠輸出的功率值被稱為輸出功率，在功率放大器的設計中輸出功率是其最為重要的指標之一[5]，在放大器設計中提升輸出功率也極為不易。同時放大器還有飽和輸出功率的概念，即激勵源輸入功率放大器的功率值達到某一個數值之后輸出功率不會再繼續增加，放大器的飽和輸出功率一般用Psat表示。

1.1.3 諧波與雜散

功率放大器在工作中會產生諧波，諧波產生的主要條件在于輸入信號值，對于功率放大器而言主要關注的是二次諧波和三次諧波。此外，功率放大器在工作中還可能會出現信號失真，這種非諧波關系也被稱為雜散。

1.2 功率合成技術

功率合成技術通常應用在實現大功率輸出中，要想實現高功率微波功率放大器的關鍵在于功率合成技術，包含電路合成、晶體管合成以及空間合成。

電路合成主要依托于帶狀線和微狀線實現功率合成，這種合成器容易使得電場強度過度集中而發生電擊穿現象，因此在介質材料的選擇上優先考慮厚度較高的類型。當在高頻率的環境中使用電路合成器為了避免介質導熱率不足而散熱出現問題，一般只會對兩個放大器芯片進行功率合成，這種合成方式難以滿足大功率的需求，因此在本次設計中不適用。

晶體管合成主要是在放大器內部將多個半導體晶體級聯，如圖1所示。這種功率合成方式由于為了避免晶體管合成路數過高而產生高熱量，因此在大功率的選擇上也不太適用。

空間合成更適合大功率的合成，主要原因在于空間合成具有更大容量的功率空間，但由于空間合成器的結構相比其他合成器也更為復雜，因此使用空間功率合成技術的難度也是比較大的。

2 關鍵技術設計

2.1 放大鏈路設計

2.1.1 設計指標

（1）輸入接口：SMA-K；

（2）輸出接口：BJ120；

（3）工作頻段：10.5GHz-13.5GHz；

（4）增益：59dB；

（5）增益平坦度：3dB；

（6）輸出飽和功率：800w；

（7）輸入駐波比：1.25:1Max；

（8）輸出駐波比：1.30:1Max；

（9）雜波：-65dBc；

（10）諧波：-40dBc。

2.1.2 放大鏈路設計

在放大鏈路的設計上采用的是固態設計，需要使用功率合成技術以此獲得高功率。而本次功率放大器本著小型化的設計原則，在末級芯片的選擇上采用的是目標頻段輸出功率最大的GaN 芯片(NC116124C-1113P25 芯片),其增益曲線和功率曲線如圖2所示。

從GaN 芯片的增益曲線圖和功率曲線圖可以看出，在工作頻段的輸出功率在25W 左右，而工作頻段外的輸出功率跌幅較大，在工作頻段的的增益為20dB 左右。為確保整機功率在工作頻段輸出達到800W，以3dB 電橋合成為兩路基礎模塊，假設末級多路合成效率為95%計算，需要至少26 路基礎模塊合成，采取的是徑向波導合成方式。為了本著更小體型的設計，最終合成器采用的是BJ120 波導口。

在驅動功放鏈路的設計如圖3所示，共設計了三級放大，且在每級中都有加入隔離器，目的是為了防止除了整機增益過大的自激現象。功率放大器射頻鏈路設計了驅動放大和末級放大，功能在于獲得增益和提供大功率輸出。

圖1：晶體管兩路功率合成示意圖

圖2：GaN 芯片的增益曲線和功率曲線

2.2 功分/合成網絡設計

公分/合成網絡設計的主要目的在于降低功耗及將輸出功率進行合成，由于本次設計的功率放大器為高功率，因此還需要重點考慮合成網絡的散熱問題，而由于放大模塊的數量較多，在端口的空間設計上各端口間保持了良好的距離，避免端口間出現干擾現象。

這里選擇的是徑向波導公分/合成器，由于徑向波導功率合成技術在散熱性能上較好，且擁有較低的損耗和較高的效率，對于本次小型化高功率微波功率放大器的設計是非貼合。圖4 顯示的是徑向波導公分/合成器傳輸系數和反射系數的仿真結果，從圖4 中數據顯示能夠判斷出徑向波導合成器性能的好壞。

從圖4 中可以看出徑向波導合成器輸口端的發射系數在-10.08dB 以下，背靠背損耗最大為0.42dB。由此反映出在功率合成的過程中端口匹配還沒達到一個理想狀態，但對于本次設計的要求還是能夠滿足。

圖3：驅動功放鏈路圖

圖4：徑向波導合成器傳輸系數及反射系數仿真圖

2.3 小型化設計

本次設計的功率放大器還有小型化的特點，在小型化設計上不僅需要采用更小的體積，還需要考慮到散熱、減重等綜合因素，因此在外殼和射頻基板上采用了一體化設計，放大器內部構造從上至下分別為儲能電路、射頻電路以及負壓保護電路。在放大器的底面采用的是鋁制基板，這種材料的基板在散熱、減重性能上更好。在基板外設計了散熱齒，功率放大器運行過程中產生的環控風能夠將一部分熱量散去。在板材上選擇的是高介電常數板材，該板材的介電常數為10.2，因此能夠減少放大器的設計尺寸。

3 結論

本次小型化高功率微波功率放大器的設計經過測試符合要求，根據相關指標采用了較為科學的鏈路設計，設計了三級放大，且每級放大中都有加入隔離器防止整機增益過大的自激現象，并設計出了26 路合成的功分/合成網絡，各端口之間的距離進行了合理的把控，避免端口間出現干擾，保證工作在Ku波段（10,5GHz-13.5GHz）的輸出功率在800W 以上，該網絡結構緊湊滿足了小型化的特點，且能夠提供較大功率的輸出，對于雷達、通信等領域能夠得到一定的借鑒。