對Ku波段200 W高線性固態功放的研制

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的飛速發展，系統對高效、寬帶大功率功放的需求與日俱增，大功率功放作為微波、毫米波發射鏈路中的核心設備，其發射功率和線性度決定了系統的工作效能，同時其理論與技術一直是業界研究的熱點。

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展，固態功放的輸出功率已經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勢[1]。因此，固態功放備受關注，它的應用范圍也日益廣泛，其已經成為微波、毫米波功放發展的主流技術路線。

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

1 整機方案設計及工作原理

固態功放由射頻預失真驅動單元、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，可以在室內外的工程中使用，其原理框圖如圖1 所示。該固態功放同時具有過壓、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 固態功放原理框圖

該固態功放的主要功能是將來自衛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射到衛星轉發器，以此滿足衛星通信的功率需求。將來自衛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，經射頻預失真驅動單元、Ku 波段200 W 末級功放單元逐級放大后，最終實現70 dB 的增益以及200 W 的功率輸出。

1.1 射頻預失真驅動單元設計

在測控及通信等應用領域，固態功放的線性度是除功率之外另外1 個非常重要的指標，它會直接影響系統的測控精度和通信質量[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，還為系統鏈路提供足夠的射頻增益和驅動功率。該電路中的數控衰減器用于調整整機鏈路增益，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整二極管的靜態工作點，達到減小預失真電路的插損和改善線性度的目的?？烧{增益放大器可以用來調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 供電監控單元電路設計

該供電監控電路單元主要由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 射頻預失真驅動單元

圖3 供電監控電路單元

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 三階互調和P-1dB 輸出功率測試結果

如圖6 所示，是固態功放三階互調IM3 和壓縮點P-1dB輸出功率的測試結果，三階互調（雙音信號間隔5 MHz，功率200 W 回退3 dB 即50 dBm 時），交調高達-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 線性固態功放圖片

圖6 三階互調和功率測試值

表1 固態功放其余指標

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，它配備了完善的監控設備，具有廣闊的應用前景。