對Ku波段200 W高線性固態(tài)功放的研制

周二風

（安徽華東光電技術研究所有限公司，安徽 蕪湖 241002）

0 引言

隨著通信、雷達及電子對抗無線系統(tǒng)的飛速發(fā)展，系統(tǒng)對高效、寬帶大功率功放的需求與日俱增，大功率功放作為微波、毫米波發(fā)射鏈路中的核心設備，其發(fā)射功率和線性度決定了系統(tǒng)的工作效能，同時其理論與技術一直是業(yè)界研究的熱點。

多年來，要在微波、毫米波頻段獲得大功率輸出，必須依靠電真空器件（例如行波管、磁控管及速調(diào)管等）功率放大器。但隨著微波單片集成電路（MMIC） 以及功率合成技術的發(fā)展，固態(tài)功放的輸出功率已經(jīng)可以達到與行波管放大器相同的水平，并且在使用壽命、工作電壓以及可靠性等方面與前者相比具有明顯的優(yōu)勢[1]。因此，固態(tài)功放備受關注，它的應用范圍也日益廣泛，其已經(jīng)成為微波、毫米波功放發(fā)展的主流技術路線。

該文介紹了1 種對Ku 波段200 W 線性固態(tài)功放工程的研制，其連續(xù)波輸出功率可達200 W，且輸出效率高達20%，三階互調(diào)線性度可達-26 dBc@50 dBm，諧雜波抑制度可達-60 dBc 以上。此外，固態(tài)功放還具有完善的人機交互及監(jiān)控保護功能，可生產(chǎn)性和工程實用性較強。

1 整機方案設計及工作原理

固態(tài)功放由射頻預失真驅(qū)動單元、Ku 波段200 W 末級功放單元、功率檢測單元以及電源和監(jiān)控處理單元等部分組成，并將其集成于密閉的噴漆鋁材機箱內(nèi)，可以在室內(nèi)外的工程中使用，其原理框圖如圖1 所示。該固態(tài)功放同時具有過壓、過流、過激勵、過反射以及過溫等告警保護功能，并采用內(nèi)嵌式操作界面控制的方式，具有高效的多任務處理能力。

圖1 固態(tài)功放原理框圖

該固態(tài)功放的主要功能是將來自衛(wèi)星地面的變頻器設備所輸出的射頻信號進行功率放大，使信號能量足以有效地發(fā)射到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，以此滿足衛(wèi)星通信的功率需求。將來自衛(wèi)星地面的變頻器設備所輸出的射頻信號連接到該功放射頻輸入端，經(jīng)射頻預失真驅(qū)動單元、Ku 波段200 W 末級功放單元逐級放大后，最終實現(xiàn)70 dB 的增益以及200 W 的功率輸出。

1.1 射頻預失真驅(qū)動單元設計

在測控及通信等應用領域，固態(tài)功放的線性度是除功率之外另外1 個非常重要的指標，它會直接影響系統(tǒng)的測控精度和通信質(zhì)量[1]。由于Ku 波段200 W 末級功放單元采用的氮化鎵功放芯片進行功率合成，其功率增益壓縮特性和線性度不能滿足整機指標要求，需要采用射頻模擬預失真電路[2]對其進行修正，射頻模擬預失真驅(qū)動單元原理框圖，如圖2所示。該模塊除提供預失真以外，還為系統(tǒng)鏈路提供足夠的射頻增益和驅(qū)動功率。該電路中的數(shù)控衰減器用于調(diào)整整機鏈路增益，其檢波電平用于檢測輸入電平的功率，從而實現(xiàn)功放過激勵保護功能，同時該檢波電平還可以用來控制可調(diào)增益放大器的衰減量，進而彌補氮化鎵功率增益的壓縮。

預失真電路的核心為高性能的射頻二極管，其外圍匹配和偏置電路可以調(diào)整二極管的靜態(tài)工作點，達到減小預失真電路的插損和改善線性度的目的。可調(diào)增益放大器可以用來調(diào)整鏈路預失真的深度，同時對整機增益進行溫度補償，在功放高低溫工作時達到穩(wěn)定增益的效果，而模塊中的濾波器可以用來抑制帶外噪聲。

1.2 供電監(jiān)控單元電路設計

該供電監(jiān)控電路單元主要由AC-DC 電源、DC-DC 二次電源變換電路、微處理器電路、正負電時序保護電路以及故障指示電路等組成。主要為射頻預失真驅(qū)動單元以及Ku 波段200 W 末級功率放大進行器供電和控制，并且提供友好的人機交互界面（例如整機過溫，過壓、過流、過激勵、過反射以及實時輸出功率等），可以通過雙色LED 指示燈顯示輸出，便于用戶使用。其原理框圖如圖3 所示。

圖2 射頻預失真驅(qū)動單元

圖3 供電監(jiān)控電路單元

1.4 Ku 波段200 W 末級功放設計

該模塊采用2 個Ku 波段200 W 末級功放使用魔T[3]進行二次功率合成，而每個Ku 波段200 W 末級功放使用4 路氮化鎵功率管，并空間功率合成的方式進行功率合成，合成效率達到93%以上。Ku 波段200 W 末級功放功分合路器仿真建模與仿真結果，如圖4 所示。m1、m2 代表其通帶S21的插入損耗值，m3、m4 代表其通帶S11 的回波損耗值。

2 熱設計

熱設計采用風冷主動散熱的方式散熱，同時對風扇的防水性能有較高的要求。產(chǎn)品熱耗主要集中于末級功放單元，其雙面散熱面與整機上下殼體緊密接觸，將其熱量帶走。熱仿真功放外殼溫升約31 ℃；當極限環(huán)境溫度為70 ℃時，其末級功放外殼溫度為101 ℃。功放芯片正常工作結溫估算為101 ℃（殼溫）+70 W（熱量）×1.3 ℃/W（熱阻）=192 ℃＜＜225 ℃（芯片結溫），功放該功放可以有效、可靠地工作。

3 測試結果分析

固態(tài)功放實物如圖5 所示，對其各項指標的介紹如下 。

3.1 三階互調(diào)和P-1dB 輸出功率測試結果

如圖6 所示，是固態(tài)功放三階互調(diào)IM3 和壓縮點P-1dB輸出功率的測試結果，三階互調(diào)（雙音信號間隔5 MHz，功率200 W 回退3 dB 即50 dBm 時），交調(diào)高達-27 dBc 以上，輸出功率大于200 W（即53 dBm）。

3.2 其余指標

Ku 波段200 W 高線性固態(tài)功放的功耗、諧雜波抑制以及增益等指標見表1。

圖4 Ku 120 W 末級功放功分合路器仿真建模與仿真結果

圖5 Ku 波段200 W 線性固態(tài)功放圖片

圖6 三階互調(diào)和功率測試值

表1 固態(tài)功放其余指標

4 結論

該文介紹了對1 種Ku 波段200 W 高線性固態(tài)功放工程的研制，通過空間功率合成的方式使用8 路MMIC 功放管進行功率合成，合成效率高達90%以上，連續(xù)波輸出功率高達200 W，線性度、諧雜波抑制度以及平坦度等較好，交流電源供電整機射頻效率達到20%以上。同時功放設計滿足在高低溫、振動、鹽霧以及低氣壓等環(huán)境下的可靠性試驗要求，并可以在工程化項目中應用。同時，它配備了完善的監(jiān)控設備，具有廣闊的應用前景。