摘要：目前，固態(tài)功率放大器具有大功率、寬頻帶、小型化、高可靠性以及低成本等特點。本文使用ADS的負載牽引技術(shù)對預(yù)匹配功率管進行匹配電路設(shè)計和優(yōu)化，仿真結(jié)果顯示單管輸出功率大于40W。90°表貼3dB電橋進行兩路功率合成，最終輸出功率大于60W，PAE不小于30%，增益平坦度優(yōu)于±0.3dB。

關(guān)鍵詞：ADS;負載牽引;寬帶功率放大器;

中圖分類號：TN722.75? ? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1007-9416（2020）04-0000-00

0引言

近幾年，隨著寬禁帶半導(dǎo)體材料工藝的進步，GaN功率器件因具有寬頻帶、大功率、高效率、高散熱以及抗輻照等優(yōu)勢而被越來越多的應(yīng)用于相控陣雷達、無線通訊技術(shù)和航空航天等領(lǐng)域中[1]。

本文針對目前需求較大的S頻段功放模塊，遵循模塊化和小型化原則，選用國外CREE公司的某款GaN HEMT，利用其大功率仿真模型設(shè)計了一款輸出功率大于60W且具有環(huán)路增益控制功能的放大模塊，具有較好的增益平坦度，不僅可滿足相同功率量級的通用化需求，而且在更大功率的合成和相控陣組件應(yīng)用中仍可廣泛使用。

1末級放大電路仿真與設(shè)計

根據(jù)連續(xù)波使用需求，功率放大器工作在AB類可有效減小靜態(tài)功耗，同時滿足動態(tài)范圍內(nèi)的增益需求，通過掃描功率管的I-V特性曲線可選擇合適的靜態(tài)工作點。

如圖1所示，該功率管靜態(tài)工作點選取為Vds=28V，Ids=0.606A。

根據(jù)功率管的資料可選擇最佳源阻抗和負載阻抗作為初始值，然后通過軟件的負載牽引模板進行驗證和調(diào)整，最終選擇虛部盡可能小的阻抗值，該阻抗值需同時兼顧功率和效率，圖2是在3GHz頻點，輸入功率為35dBm條件下的負載阻抗仿真結(jié)果，可以看出在負載阻抗為11.131-j*6.097時，功率管附加效率PAE為57.21%，輸出功率為48.42dBm。

對于跨倍頻程的寬帶功放，微帶匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計尤為關(guān)鍵，此處我們選擇多節(jié)1/4波長匹配法，該方法的優(yōu)點是根據(jù)指標需求可靈活控制節(jié)數(shù)來實現(xiàn)寬帶匹配目標。

根據(jù)負載牽引仿真結(jié)果得到的頻帶內(nèi)最佳源阻抗和負載阻抗值，并建立諧波平衡仿真模型對微帶參數(shù)進行優(yōu)化仿真，原理圖如圖3所示，優(yōu)化仿真結(jié)果如圖4所示。

從仿真結(jié)果看，整個頻帶內(nèi)飽和輸出功率不小于46.6dBm（45.6W），附加效率PAE大于44%，功率增益大于9dB，滿足設(shè)計要求;經(jīng)制版加工調(diào)試后，實測結(jié)果輸出功率大于40W，附加效率PAE不小于38%。

選用IPP公司的表貼3dB 90°電橋進行功率合成，該電橋雖具有小型化的優(yōu)點，但表貼焊盤引入的對地電容惡化了端口駐波，因此需要減小輸入輸出微帶線寬度以滿足級聯(lián)駐波需求。

2耦合檢波電路設(shè)計

末級功率管作為功率放大器的核心器件，處在射頻放大鏈路的最末端，工作狀態(tài)受輸出天線駐波影響較大，為保證長期可靠工作，同時為了減小維修成本，大功率的放大器設(shè)計通常需要增加對輸出端口前反向功率的實時采樣檢測電路，以達到保護整個功率放大器的目的。

射頻信號的功率采樣單元為定向耦合器，S頻段采用帶狀線形式的設(shè)計方式，可兼顧性能指標、體積和成本，在前反向輸出端口之間增加金屬結(jié)構(gòu)隔墻可大大降低端口間的空間影響。

根據(jù)檢波器指標，需在檢波器輸入端增加合適的π型衰減器以降低最大輸入功率，改善輸入駐波，減少前反向檢波之間的相互影響;與此同時，采用表貼形式的檢波器雖然可減少成本和空間體積，但在S頻段范圍內(nèi)檢波的頻響特性受空間輻射影響較大，需要在合適位置粘貼吸波材料以消除諧振響應(yīng)。

3實物測試和結(jié)束語

最終測試結(jié)果如圖5所示。

本文設(shè)計了一款S頻段功率放大器，具有環(huán)路功率控制功能和高駐波檢測保護功能，帶內(nèi)輸出功率不小于60W，功率平坦度優(yōu)于±0.3dB;測試結(jié)果表明，采用ADS仿真軟件可以快速實現(xiàn)預(yù)匹配功率管的應(yīng)用設(shè)計，縮短項目研制周期。

參考文獻

[1] 余樂.X頻段GaN MMIC功率放大器設(shè)計[D].西安電子科技大學(xué).2017.

收稿日期：2020-03-11

作者簡介：陳創(chuàng)業(yè)（1987—），男，河北辛集人，研究生，工程師，研究方向：微波固態(tài)功率放大器。

Design of S-band 60 W Power Amplifier

CHEN Chuang-ye

（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei? 050081）

Abstract：At present，the solid–state power amplifier has the characteristics of high power，broadband，miniaturization，high reliability and low cost.In this paper，the load-pull technology of ADS is used to design and optimize the matching circuit of the pre-matched power transistor，and the simulation results show that the output power of sigle transistor is more than 40W.Then a SMD 90°-3dB hybrid is used for two-way power combining，the final ouput power is greater than 60W，PAE is not less than 30%，and the gain flatness is better than ±0.3dB.

Keywords：ADS;load-pull;broadband power amplifier