Ku波段300WBUC線性固態功放研制

周二風

摘 要：文章介紹了一種Ku波段300W BUC線性固態功放的研制。該功放采用12路氮化鎵功放芯片，通過波導功率合成技術和預失真技術相結合的方式，實現連續波輸出功率可達300 W，線性度三階互調可達-27dBc@52dBm以上， 諧雜波抑制度可達-60dBc以上的性能。固態功放效率高達20%，同時其功放內部自帶頻率源和上變頻功能。功放具有高集成度、高穩定性、高可靠性等特點，并具備完善的監控保護功能和友好的人機交互界面，可面向工程化應用，滿足衛星通信系統中央站或區域站需求。

關鍵詞：氮化鎵功放;預失真;功率合成;上變頻模塊

0 引言

隨著衛星通信系統的飛速發展，系統對高效、寬帶大功率固態功放的需求與日俱增，大功率固態功放作為微波、毫米波發射鏈路中的核心設備將逐漸取代行波管放大器，其在線性度、使用壽命和可靠型等方面具有明顯優勢。同時，通信產品的高集成化趨勢日益明顯，大功率通信系統射頻前端高集成化也是大勢所趨。

本文介紹了一種Ku波段300W BUC線性固態功放工程研制，其具有高集成度、高線性度等特點。該功放連續波輸出功率可達300W以上，三階互調線性度高達-27dBc@52dBm。此外，固態功放還具有友好的人機交互界面及完善的監控保護功能，工程實用性較強。

1 整機方案設計及工作原理

根據固態功放功能將其劃分為BUC上變頻及功率驅動單元、Ku 300W末級功放單元以及電源和監控處理單元等部分，并將其集成于標準3U機箱內。該固態功放同時具有失鎖、過壓、過流、過激勵、過反射、過溫等告警保護功能，采用內嵌式操作系統控制方式，具有高效的多任務處理能力。此外，人機交互通過彩色觸屏監控，方便工程應用。

該固態功放的主要功能是將來自衛星Modem中頻信號進行上變頻，同時對上變頻后的射頻信號進行功率放大，以至于射頻信號能量足以發射到空間衛星轉發器，以此滿足衛星通信功率需求。將來自衛星Modem中頻信號連接到該功放中頻輸入端，經BUC上變頻及功率驅動單元、Ku 300W末級功放單元逐級放大后，最終實現70dB以上功率增益和300W功率輸出，整機原理如圖1所示。

1.1 ?Ku 300W末級功放設計

該模塊采用兩個Ku 170W末級功放使用魔T[1-2]進行二次功率合成，而每個Ku 170W末級功放使用6路氮化鎵功放管采用非2N空間功率合成方式[3-4]進行功率合成，該末級功放共計使用12路氮化鎵功放管，打破了傳統功率合成對合成路數的限制，同時還大幅度提升了產品的性價比，波導合成形式為E-T和H-T混合形式，圖2為Ku 170W末級功放功分合成器仿真建模和與仿真結果，m1，m2代表其通帶S21插入損耗值，m3，m4代表通帶輸入端口S11回波損耗值，m5代表通帶輸出端口S22回波損耗值，再考慮到導體損耗等，該功分合成器合成效率高達90%，并且該模塊采用雙面散熱結構風冷主動散熱方式，可在環境溫度高達70 ℃的狀態下有效可靠地工作。

1.2 ?BUC上變頻及功率驅動單元設計

微波射頻前端產品集成度要求越來越高，固態功放產品也不例外。該BUC上變頻及功率驅動單元也將集成到固態功放產品中，該單元內部含有中頻、鎖相、預失真、變頻、濾波、功率放大等相關功能電路，其為整機提供了足夠的增益，同時為Ku 300W末級功率放大器提供足夠的功率激勵電平。該單元的高集成度設計，增加了整機雜散指標控制難度，設計時需充分考慮各信號間的供電干擾、濾波、空間隔離等預防措施。

在測控和通信應用領域，固態功放的線性度是除功率之外另一個非常重要的指標，會直接影響系統測控精度、通信質量和通信容量。由于Ku 300W末級功放單元采用多路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，需要采用模擬預失真電路[5-6]對其進行修正，該單元原理如圖3所示。

該電路中數控衰減器用于調整整機鏈路增益，其過激勵檢測用于對中頻輸入電平的檢測，實現大功率電平輸入時對功放的保護功能。預失真電路的核心為高性能的射頻二極管，其外圍的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。

可調增益放大器用于調整鏈路預失真深度，同時結合功率壓縮補償電平動態自適應調整功放功率壓縮和增益溫度補償，以使功放高低溫工作時達到功率壓縮修正和穩定增益的效果。

本振LO信號通過內部集成VCO的PLL鎖相芯片構成鎖相環實現，模塊內部自帶鎖相晶振，通過二次鎖相實現高相位噪聲要求的LO信號輸出。

1.3 ?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、單片機系統電路、正負電時序保護電路、故障指示電路等組成。主要為BUC上變頻及功率驅動單元和Ku 300W末級功率放大器提供供電和控制，并且提供友好的人機交互功能（如功放整機失鎖、過溫、過壓、過流、過激勵、過反射、實時輸出功率、實時功耗等），并通過彩色觸屏和雙色LED燈實時顯示功放工作狀態，方便用戶應用。

2 測試結果分析

對Ku波段300W BUC線性固態功放各項指標進行全面測試，指標要求與實測結果對比如表1所示。產品指標的實測結果優于技術要求，完全滿足衛星通信系統中央站或區域站對功率的需求。

3 結語

本文介紹了一種Ku波段300W BUC線性固態功放研制，通過（非2N方式）12路MMIC功放管進行功率合成，合成效率高達90%以上，整機效率高達20%以上，連續波輸出功率可達300W以上，同時具有較好的線性度、諧雜波抑制度、相位噪聲等，產品性能達到業界領先水平。

此外，固態功放還滿足（高低溫、振動、低氣壓等）可靠性試驗要求，并配備了友好的人機交互界面和監控功能，以面向工程化應用，具有廣闊的應用前景。

[參考文獻]

[1]王文詳.微波工程技術[M].2版.北京：國防工業出版社，2014.

[2]周強，謝小強，王明.一種基于波導魔T的W波段的功率合成/分配網絡[J].微波學報，2014（6）：152-153.

[3]馬云柱，楊斐，雷國忠.C波段600W固態發射機的研制[J].火控雷達技術，2009（2）：86-89.

[4]李磊，李兵，邱林茂.一種新型W波段波導功率合成器[J].火控雷達技術，2013（2）：64-66.

[5]樸哲華，梁昌洪.改善放大器三階交調失真的一種方法[J].現代電子技術，2004（21）：109-110.

[6]王博，劉強.Ku波段模擬預失真線性化器[J].無線電工程，2011（2）：47-50.

（編輯 王雪芬）