薛 新，董 亮，吳佳倩

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033)

0 引言

近年來軍民用通信技術(shù)更新步伐很快，與此對應(yīng)的通信裝備也在不斷地更新?lián)Q代。作為射頻微波發(fā)射系統(tǒng)的主要設(shè)備，微波功率放大系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢一直以來都是增大頻譜寬度，增大功率及效率，減小器件和電路的體積、重量和制造成本。由于每一種射頻器件在兼顧頻率和功率時都存在極限，促使人們不斷探索新的工作原理，新的器件結(jié)構(gòu)，采用新型材料來突破原有的極限，同時在滿足整機(jī)大功率輸出方面也在不斷探索新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，并已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，采用新的功率器件和新的整機(jī)功率實(shí)現(xiàn)方式設(shè)計(jì)的固態(tài)功率放大器也已逐漸廣泛使用。

本文設(shè)計(jì)的固態(tài)功率放大器主要功能是將系統(tǒng)信號發(fā)生器產(chǎn)生的1.65～3 GHz 各類調(diào)制信號放大至500 W以上射頻連續(xù)波功率，可用于EMC 測試、電子對抗等高功率系統(tǒng)應(yīng)用。

1 總體組成方案

500 W 固態(tài)功率放大器組成框圖如圖1 所示，整機(jī)由前級功放單元、推動級功放單元、末級功放單元、環(huán)路增益控制單元、電源監(jiān)控單元以及定向耦合器等組成，每個獨(dú)立的單元進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，以提高可靠性，并增強(qiáng)實(shí)際使用的靈活性，提高可維修性。

為保證整機(jī)技術(shù)的先進(jìn)性，整機(jī)射頻通道的核心部分采用先進(jìn)的第三代半導(dǎo)體材料器件GaN 功率管，其效率和功率密度指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過Si 和GaAs 材料器件[1]；其次創(chuàng)新性地采用非對稱結(jié)構(gòu)的5 路徑向功率合成器來減小合成損耗，提高合成效率，保證整機(jī)輸出功率與效率的最優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)性能提升。

圖1 中功放輸入信號經(jīng)前級模塊增益補(bǔ)償、均衡、放大等處理后，送推動級功放、隔離器，為末級功放提供足夠的功率驅(qū)動和諧雜波抑制，再經(jīng)5 路末級功放放大、合成到所需的功率等級，在大功率濾波器濾除諧波后，最后經(jīng)過定向耦合器進(jìn)行耦合輸出。本機(jī)還具有遙控和過熱、失配保護(hù)功能以及輸出功率分擋等功能，能夠充分滿足系統(tǒng)長時間功率發(fā)射需求。

圖1 1.65～3 GHz 500 W 功率放大器組成框圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 末級模塊設(shè)計(jì)

作為射頻功率放大器整機(jī)最核心的部分，圖1 中的5 個末級功放單元均采用兩路80 W 功放模塊合成的方式，以獲得150 W 左右輸出功率。其原理框圖如圖2所示。

圖2 150 W 末級功放單元組成框圖

圖2 中80 W 功放模塊采用了CREE 公司GaN 功率管CG2H30070F 設(shè)計(jì)，其器件的主要特性如表1 所示，首先利用其大信號模型建立電路仿真拓?fù)淠Ｐ?，如圖3 所示，ADS 軟件仿真結(jié)果如圖4所示，本文主要關(guān)注的模塊S21、S11、S22等參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求[2]。

圖3 80W 功放模塊ADS 仿真電路模型

表1 CG2H30070F 功放管主要特性

經(jīng)過調(diào)整，最終完成的功放模塊采用介電常數(shù)為3.48 的ROGERS 4350B 印制板，厚度為0.508 mm，PCB 尺寸為130 mm×50 mm，印制板左半部為輸入匹配電路與柵極偏置電路、右半部分為輸出匹配電路與供電電路，加電時序電路放在模塊盒底部反面。PCB 上下兩部分之間由大面積敷銅接地面隔離，避免饋電部分受干擾引起自激，增強(qiáng)電路的工作穩(wěn)定性。80 W 功放模塊實(shí)物如圖4 所示，經(jīng)過調(diào)整優(yōu)化，采用AB 類放大電路的末級模塊[3]，實(shí)測在1.6～3 GHz 范圍內(nèi)輸出功率能達(dá)到85 W 以上，增益大于10 dB，漏極效率大于50%，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 80 W 功放模塊ADS 仿真結(jié)果及實(shí)物圖

2.2 五路徑向合成器設(shè)計(jì)

目前常用的功率合成方式主要有空間合成、平面電路合成等幾種[4]?？臻g合成技術(shù)具有合成效率高，承受功率大、帶寬性能好、可有效防止輻射損耗、散熱特性良好等優(yōu)點(diǎn)，但其體積大、質(zhì)量重，不適宜小型化設(shè)計(jì)。平面合成技術(shù)采用平面電路加工技術(shù)，結(jié)構(gòu)及裝配簡單，體積小，質(zhì)量輕，容易與電路中其他器件互連，但其合成效率不高，承受功率受限，不適宜超大功率合成。

綜合幾種合成方式的優(yōu)缺點(diǎn)并結(jié)合本功放需求，本方案在具體實(shí)施中充分考慮體積、質(zhì)量、效率等因素，采用空間合成方式，考慮末級模塊功率等級，最后采用非對稱結(jié)構(gòu)5 路徑向合成器。

徑向波導(dǎo)是一種非均勻傳輸線，由上下兩個圓形導(dǎo)體組成，其內(nèi)部示意圖及外形如圖5 所示。

圖5 5 路徑向功率合成器仿真模型及實(shí)物圖

圖6 是仿真的合成器各個端口的場分布圖，由場分布圖可以直觀地看出電場能量被均分到周圍探針。從仿真的電場分布圖中可以看到，在選取合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下，5 路徑向功率合成器可以完成將中心探針中的電場均勻分布到徑向分布的周圍探針中去[5]。

圖6 5 路徑向合成器各端口場分布圖

本文利用HFSS 軟件對該合成器分別進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果如圖7 所示，可以看出在1.6 GHz～3 GHz 頻段內(nèi)，各個支路的振幅基本相同，S11小于-20 dB，S21小于0.15 dB。

圖7 徑向功率合成器各端口S 參數(shù)仿真曲線

經(jīng)過加工后對實(shí)物進(jìn)行測試，實(shí)物圖及測試結(jié)果如圖5 和圖8 所示，在1.6 GHz～3 GHz 頻段范圍內(nèi)的回波損耗優(yōu)于-11 dB，插入損耗小于0.3 dB。各個支路相位基本一致，相位差不到0.5°，所以相位差對這種合成系統(tǒng)的合成效率影響也非常小。通過以上仿真及測試結(jié)果，根據(jù)式(1)，可以推算出本徑向波導(dǎo)合成器理論上的合成效率在93%以上[6]。

圖8 徑向功率合成器端口回波損耗與插入損耗實(shí)測曲線

其中，η 為合成效率，N 為5 路，S21與S11均為合成器S參數(shù)。

3 實(shí)測結(jié)果

本方案設(shè)計(jì)的射頻功率放大器如圖9 所示，供電采用28 V DC，實(shí)測數(shù)據(jù)如表2 所示，在1.65～3 GHz 工作頻段上，輸出功率大于500 W，DC-RF 轉(zhuǎn)換效率大于25%，整機(jī)重量小于35 kg。與同類產(chǎn)品的比較見表3，可見在采用了高效率的GaN 功率器件和高合成效率的徑向合成器后，本設(shè)計(jì)較同類產(chǎn)品在整機(jī)效率、體積、重量等指標(biāo)均有較大提升。

圖9 1.65～3 GHz 射頻功率放大器內(nèi)部布局圖

表2 射頻功率放大器實(shí)測數(shù)據(jù)

表3 同類產(chǎn)品比較

4 結(jié)論

本文采用GaN 射頻功率管和非對稱5 路徑向功率合成器來完成1.65～3 GHz 500 W 連續(xù)波射頻功率放大器設(shè)計(jì)，射頻功率放大器的末級模塊采用AB 類放大電路，有效提高射頻模塊的DC-RF 轉(zhuǎn)換效率，減少工作時產(chǎn)生的熱量。通過以上設(shè)計(jì)使整機(jī)的效率有所提高，同時減小了體積和重量。本文設(shè)計(jì)的功放與同類產(chǎn)品進(jìn)行對比，在效率、體積、重量等指標(biāo)上均有較大提升。