X波段高功率宽带放大器设计

李 涛

(中国电子科技集团公司第13研究所 第17专业部，河北 石家庄 050051)



X波段高功率宽带放大器设计

李 涛

(中国电子科技集团公司第13研究所 第17专业部，河北 石家庄 050051)

为满足电子设备连续波、小型化、高功率的要求，文中研制了一种X波段宽带功率放大器。针对高频段的单个功率器件输出功率小、效率低的问题，选取效率高的GaN器件作为功率器件，采用功率合成方法，用微带合成器将4个功率单片进行合成，达到输出高功率的目的。最终研制出的功率放大器的工作频率为8～12 GHz，输出功率56 W，中心频点效率32%，驻波1.4。

X波段；宽带功率放大器；微带；合成

随着卫星通信技术和雷达技术的快速发展，宽带、大功率固态功放的需求与日俱增。目前大功率领域多采用真空器件，供电电路复杂，寿命较短，线性度差。尽管现有微波单片的输出功率已经提高很多，但单个功率单片仍不能满足高功率输出的要求。通过将多个功率单片合成，可以实现输出高功率的要求。

本文介绍了8～12 GHz连续波50 W宽带功率放大器的研制过程。选取第三代半导体氮化镓功率单片做为功率器件，采用了微带Wilkinson合成器进行功率合成。

1 器件选型

以碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石、氮化铝为代表的宽禁带半导体材料称为第三代半导体材料。和第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有宽的禁带宽度，高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料，也称为高温半导体材料。从目前第三代半导体材料和器件的研究来看，最为成熟的是碳化硅技术。

该放大器选用的氮化镓功率芯片的频率范围为8～12 GHz，饱和输出功率42 dBm，功率增益20 dB，效率40%。该器件是一款氮化镓高功率放大器芯片，尺寸小，可采用微封装工艺进行装配。芯片采用碳化硅衬底，可在200 ℃结温下工作；输出抗烧毁能力高，可在负载阻抗失配为6:1的情况下工作。器件采用国内0.25 μm氮化镓功率单片工艺制作，工作带宽宽，覆盖8～12 GHz。经测试，在周围散热环境较好的情况下，该芯片可在连续波下长时间可靠工作。从芯片性能参数看，选取4只芯片进行功率合成，可以保证放大器的输出功率满足设计要求。

2 功率合成理论

功率合成器是将多路输入信号合成到一路输出的多端口网络。常见的合成器有Ratrace型、Vranchline型和Wilkinson型3种。因Wilkinson具有结构简单、易于微带实现等优点，在工程中广泛使用。

本放大器由输入功分器、功率单片和输出合成器组成，原理框图如图1所示。

图1 放大器原理框图

功率单片的输入输出端口的阻抗为50 Ω。功分器和合成器均采用Wilkinson型等功率电路结构。功分器可将特性阻抗为Z0(50 Ω)的传输线分成2条阻抗相同的支线。每条支线经过功率放大后到达合成器，合成器可将两路阻抗相同的支线，合成到特性阻抗为Z0(50 Ω)的传输线。最终实现4路合成。为了保证功分/合成端口的阻抗匹配，在分叉口各支路中引入特性阻抗为

(1)

长度为

l=λ/4

(2)

的阻抗变换线传输线段，该传输线段通过50 Ω传输线与功率单片相连。这种功率分配器的等效电路如图2所示。

图2 Wilkinson二功分器等效电路

两个2路功分器构成1个4路功分器，每个2路功分器的端口阻抗按50 Ω设计，两个功率分配器之间通过特性阻抗为50 Ω的传输线连接，等效电路如图3所示。

图3 Wilkinson四功分器等效电路

功率合成效率是反映功率合成器的重要指标，效率高的合成器可以为整个合成放大器节省许多功耗。影响合成器合成效率的主要因素是插入损耗、各支路输出功率的幅度差和相位差。因此，在设计功分器时，要同时考虑这3个因素的影响。

两路信号在相位一致的条件下，如果幅度差小于1 dB，该幅度差对合成效率造成的影响可以忽略。两路信号在幅度一致的条件下，合成效率随着相位差的增大而显著降低，合成效率对相位差的变化较为敏感。因此功分器采用对称形式的结构布局，以避免各支路相位差对合成效率造成影响。

3 功分合成电路的仿真与设计

图4 功分器电路原理图

对电路模型进行了仿真、优化，仿真参数为插入损耗S21，回波损耗S11，两个参数的权重设置相同。S21的优化目标为-6.3 dB，S11的优化目标为-20 dB。优化后所得参数数据的有效位较多，为便于工程实现，将数据取整，保留小数点后一位数，微调后的仿真结果如图5所示。

在8～12 GHz频率范围内，插入损耗S21<-6.13 dB(m1点)，4路插损基本相同，回波损耗S11<-24 dB(m2点)，可在大功率、连续波状态下使用。

图5 功分器仿真结果

4 研制结果

根据电路设计、软件仿真和结构设计，研制了一款44 mm×40 mm×9 mm的X波段宽带功率放大器，工作频率为8～12 GHz。实测功率放大器的带内连续波输出功率为56 W，低端效率32%，高端效率27%，驻波1.4。本功率放大器为X波段宽带50 W功率放大器，由于工作带宽宽，内部功率单片的效率为40%，再加上合成效率的影响，功率放大器最终的典型连续波效率为32%，带内高端频率的效率会略低。产品实物如图6所示。

图6 X波段宽带功率放大器实物

5 结束语

本文研制了一款X波段宽带50 W功率放大器，介绍了功率器件的选型方法，详细阐述了高功率宽带功分器、合成器的仿真设计方法。该功率放大器在8～12 GHz带宽内，输出功率>50 W，可连续波长时间工作，有良好的应用前景。

[1] 顾其诤,项家桢,袁孝康.微波集成电路设计[M].北京:人民邮电出版社,1979.

[2] 黄玉兰.ADS射频电路设计基础与典型应用[M].北京:人民邮电出版社,2009.

[3] 韩鹏伟.微波功率放大器的ALC环路设计[J].电子科技,2014,27(8):53-57.

[4] 蔡捷.X波段150W固态合成功率放大器[J].固体电子学研究与进展,2009(2):206-210.

[5] 闫龙.一种微带功分器的设计分析[J].计算机与网络,2011(7):57-60.

[6] 冯永攀.一种N路宽带功分器设计与仿真[J].河南师范大学学报:自然科学版,2013(3):54-59.

[7] 顾卫东.X波段功率放大器设计[J].通信对抗, 2013(3):54-59.

[8] 杨峥峥.微带功分器的设计[J].舰船电子对抗, 2012(4):69-73.

[9] 陶洪琪.X波段60W高效率GaNHEMT功率MMIC[J].固体电子学研究与进展, 2016(4):270-274.

[10] 罗倩.低电压高效率微波功率放大器研究与设计[J].电子科技,2011,24(12):50-52.

[11] 刘文豹.Ku波段Wilkinson功分器仿真与设计[J].应用科技,2014(2):35-39.

[12] 钟福如.S波段3dB微带功分器的设计[J].科技咨询,2008(10):25-27.

[13] 陈小群.射频功率放大器与微带电路设计[D].西安:西安电子科技大学,2009.

[14] Fathy A E,Lee S W,Kalokitis D.A simplified design approach for radial power combiners[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2006,54(1):247-255.

[15] Wu L,Yilmaz H,Bitzer T,et al.A dual-frequency Wilkinson power divider:for a frequency and its first harmonic[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2005,5(2):107-109.

Design of an X Band Broadband Power Amplifier

LI Tao

(17thDepartment,13thInstitute of China Electronics Technology Group Corporation,Shijiazhuang 050051,China)

In order to satisfy the requirement of continuous wave(CW) ， miniaturization ， high power, in the electronic equipment, an X band broadband power amplifier is designed. The problem of the component at the high frequence is that it has the small power and the low efficiency.Because of this, the GaN component which has the high efficiency is selected. Four power IC are combined by the microstrip combiner.Then the power amplifier offers high power.A power amplifier at the frequency 8～12 GHz with 50 W CW power, 32% efficiency,1.4 standing wave is designed at last.

X band;broadband power amplifier;microstrip;combined

2016- 04- 16

中国电子科技集团公司第十三研究所横向项目(150614)

李涛(1984-)，男，硕士研究生。研究方向：微波电路设计。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.038

TN722

A

1007-7820(2017)07-136-03