對(duì)Ku波段200 W高線性固態(tài)功放的研制

周二風(fēng)

（安徽華東光電技術(shù)研究所有限公司，安徽 蕪湖 241002）

0 引言

隨著通信、雷達(dá)及電子對(duì)抗無(wú)線系統(tǒng)的飛速發(fā)展，系統(tǒng)對(duì)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(shè)備，其發(fā)射功率和線性度決定了系統(tǒng)的工作效能，同時(shí)其理論與技術(shù)一直是業(yè)界研究的熱點(diǎn)。

多年來(lái)，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(shù)的發(fā)展，固態(tài)功放的輸出功率已經(jīng)可以達(dá)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(shì)[1]。因此，固態(tài)功放備受關(guān)注，它的應(yīng)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(shù)路線。

該文介紹了1 種對(duì)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(dá)200 W，且輸出效率高達(dá)20%，三階互調(diào)線性度可達(dá)-26 dBc@50 dBm，諧雜波抑制度可達(dá)-60 dBc 以上。此外，固態(tài)功放還具有完善的人機(jī)交互及監(jiān)控保護(hù)功能，可生產(chǎn)性和工程實(shí)用性較強(qiáng)。

1 整機(jī)方案設(shè)計(jì)及工作原理

固態(tài)功放由射頻預(yù)失真驅(qū)動(dòng)單元、Ku 波段200 W 末級(jí)功放單元、功率檢測(cè)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(jī)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(shí)具有過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)激勵(lì)、過(guò)反射以及過(guò)溫等告警保護(hù)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(wù)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(lái)自衛(wèi)星地面的變頻器設(shè)備所輸出的射頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，使信號(hào)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(lái)自衛(wèi)星地面的變頻器設(shè)備所輸出的射頻信號(hào)連接到該功放射頻輸入端，經(jīng)射頻預(yù)失真驅(qū)動(dòng)單元、Ku 波段200 W 末級(jí)功放單元逐級(jí)放大后，最終實(shí)現(xiàn)70 dB 的增益以及200 W 的功率輸出。

1.1 射頻預(yù)失真驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

在測(cè)控及通信等應(yīng)用領(lǐng)域，固態(tài)功放的線性度是除功率之外另外1 個(gè)非常重要的指標(biāo)，它會(huì)直接影響系統(tǒng)的測(cè)控精度和通信質(zhì)量[1]。由于Ku 波段200 W 末級(jí)功放單元采用的氮化鎵功放芯片進(jìn)行功率合成，其功率增益壓縮特性和線性度不能滿足整機(jī)指標(biāo)要求，需要采用射頻模擬預(yù)失真電路[2]對(duì)其進(jìn)行修正，射頻模擬預(yù)失真驅(qū)動(dòng)單元原理框圖，如圖2所示。該模塊除提供預(yù)失真以外，還為系統(tǒng)鏈路提供足夠的射頻增益和驅(qū)動(dòng)功率。該電路中的數(shù)控衰減器用于調(diào)整整機(jī)鏈路增益，其檢波電平用于檢測(cè)輸入電平的功率，從而實(shí)現(xiàn)功放過(guò)激勵(lì)保護(hù)功能，同時(shí)該檢波電平還可以用來(lái)控制可調(diào)增益放大器的衰減量，進(jìn)而彌補(bǔ)氮化鎵功率增益的壓縮。

預(yù)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(diǎn)，達(dá)到減小預(yù)失真電路的插損和改善線性度的目的?？烧{(diào)增益放大器可以用來(lái)調(diào)整鏈路預(yù)失真的深度，同時(shí)對(duì)整機(jī)增益進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在功放高低溫工作時(shí)達(dá)到穩(wěn)定增益的效果，而模塊中的濾波器可以用來(lái)抑制帶外噪聲。

1.2 供電監(jiān)控單元電路設(shè)計(jì)

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(fù)電時(shí)序保護(hù)電路以及故障指示電路等組成。主要為射頻預(yù)失真驅(qū)動(dòng)單元以及Ku 波段200 W 末級(jí)功率放大進(jìn)行器供電和控制，并且提供友好的人機(jī)交互界面（例如整機(jī)過(guò)溫，過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)激勵(lì)、過(guò)反射以及實(shí)時(shí)輸出功率等），可以通過(guò)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(yù)失真驅(qū)動(dòng)單元

圖3 供電監(jiān)控電路單元

1.4 Ku 波段200 W 末級(jí)功放設(shè)計(jì)

該模塊采用2 個(gè)Ku 波段200 W 末級(jí)功放使用魔T[3]進(jìn)行二次功率合成，而每個(gè)Ku 波段200 W 末級(jí)功放使用4 路氮化鎵功率管，并空間功率合成的方式進(jìn)行功率合成，合成效率達(dá)到93%以上。Ku 波段200 W 末級(jí)功放功分合路器仿真建模與仿真結(jié)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(shè)計(jì)

熱設(shè)計(jì)采用風(fēng)冷主動(dòng)散熱的方式散熱，同時(shí)對(duì)風(fēng)扇的防水性能有較高的要求。產(chǎn)品熱耗主要集中于末級(jí)功放單元，其雙面散熱面與整機(jī)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(dāng)極限環(huán)境溫度為70 ℃時(shí)，其末級(jí)功放外殼溫度為101 ℃。功放芯片正常工作結(jié)溫估算為101 ℃（殼溫）+70 W（熱量）×1.3 ℃/W（熱阻）=192 ℃＜＜225 ℃（芯片結(jié)溫），功放該功放可以有效、可靠地工作。

3 測(cè)試結(jié)果分析

固態(tài)功放實(shí)物如圖5 所示，對(duì)其各項(xiàng)指標(biāo)的介紹如下 。

3.1 三階互調(diào)和P-1dB 輸出功率測(cè)試結(jié)果

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

3.2 其余指標(biāo)

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(biāo)見(jiàn)表1。

圖4 Ku 120 W 末級(jí)功放功分合路器仿真建模與仿真結(jié)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(cè)試值

表1 固態(tài)功放其余指標(biāo)

4 結(jié)論

該文介紹了對(duì)1 種Ku 波段200 W 高線性固態(tài)功放工程的研制，通過(guò)空間功率合成的方式使用8 路MMIC 功放管進(jìn)行功率合成，合成效率高達(dá)90%以上，連續(xù)波輸出功率高達(dá)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(jī)射頻效率達(dá)到20%以上。同時(shí)功放設(shè)計(jì)滿足在高低溫、振動(dòng)、鹽霧以及低氣壓等環(huán)境下的可靠性試驗(yàn)要求，并可以在工程化項(xiàng)目中應(yīng)用。同時(shí)，它配備了完善的監(jiān)控設(shè)備，具有廣闊的應(yīng)用前景。