6～18 GHz宽带50 W功率放大器的研制

王 淼，李 涛，宋俊魁

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

6～18 GHz宽带50 W功率放大器的研制

王 淼，李 涛，宋俊魁

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

为满足电子系统快速发展的需求，研制了一种6～18 GHz宽带50 W功率放大器。产品由四级放大器组成，级间设计有宽带均衡器，解决了宽带放大器增益不平衡问题。针对功率单片输出功率低的问题，采用微带功率合成的方法，将8个功率单片合成后输出。测试结果表明，功率放大器在6～18 GHz，输出功率53 W，效率12%，功率增益58 dB，功率放大器尺寸为215 mm×95 mm×23 mm。

宽带；功率放大器；均衡器；合成

0 引 言

随着电子系统的快速发展，宽带功率放大器的需求与日俱增。功率放大器的功率大小和带宽范围决定了电子系统的作用距离和抗干扰能力。由于传统宽带大功率放大器多采用行波管等电真空器件，其供电电路复杂，寿命短，线性度差。因此，使用方便、寿命长、线性度好、体积小的固态功率放大器近期逐渐走入人们的视野。现有单个固态微波功率器件的输出功率不高，大功率放大器常采用功率合成的方式，将多个功率器件合成，以实现输出高功率的要求。

本文介绍了一种6～18 GHz连续波宽带50 W功率放大器的研制过程。采用四级放大器级联，使用宽带均衡器改善放大器的带内增益平坦度，选取第3代半导体氮化镓功率单片作为最终功率器件，并通过微带Wilkinson合成器进行功率合成[1-2]。

1 电路均衡设计

为保证功率放大器有足够大的增益，采用四级放大器级联[3]，级联后的总增益大于58 dB，将-10 dBm的注入信号放大到47 dBm(50 W)后输出。

宽带放大器的带宽较宽，单个放大器的输入输出阻抗变化较大，因此增益平坦度较差[4]。多倍频程放大器的增益平坦度一般是±1～±3 dB。四级宽带放大器级联后，增益平坦度变差，这是由于前一级放大器的输出驻波与后一级放大器的输入驻波不一致造成的[5]。尤其在宽频带内，级间的反射相位有时叠加有时抵消，增大了起伏[6]。因此放大器级间设计有均衡器。均衡器为无源有耗元件，一方面对增益频率特性进行校正；另一方面降低两级放大器间的互耦，减小模块发生自激的可能。均衡器的衰减频率特性在所传输的频带内与传输系统的衰减频率特性正好相反，因而两者的衰减特性相互补偿，其结果恰好使总衰减为一常数，从而达到校正整个链路增益的效果。当然，要使总衰减在整个频带内保持为一常数实际上是不可能的，因而在应用中允许有一定的校正偏差。均衡器在一定的工作频带内只有适当的均衡能力，并不能完全消除增益幅度变化。

本文采用的均衡器采用GaAs无源工艺制作，频率覆盖范围2～18 GHz，均衡量3.5 dB，输入输出驻波比为1.3。芯片封装，体积小，使用方便。均衡器位于两级放大器之间。

2 功率合成

末级放大器采用氮化镓功率单片，氮化镓为第3代半导体材料，禁带宽度宽、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力高，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件[7]。所采用功率单片的频率范围为6～18 GHz，饱和输出功率40 dBm，功率增益16 dB，效率20%。该器件是一款基于氮化镓高电子迁移率晶体管实现的高功率放大器芯片，采用0.25 μm氮化镓功率单片工艺制作，工作频率6～18 GHz，可在连续波模式下工作，主要用于大功率固态发射机。从芯片性能参数看，选取8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。

功率分配/合成器是将多路输入信号合成到一路输出的多端口网络。常见的功分器有3种：Ratrace型、Vranchline型和Wilkinson型。因Wilkinson功分器具有结构简单、易于微带实现等优点，在工程中广泛使用[8-11]。本放大器末级功率模块采用8路微带合成，合成原理框图如图1所示。

单节结构的Wilkinson功分器为三端口元件，等功率电路结构如图2所示。

合成器采用与功分器相同的结构。合成器的效率受各支路输出功率的幅度差和相位差的影响。2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。2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。因此合成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 末级功率模块的实现

根据功率分配/合成原理，用软件对8路合成网络进行仿真。建模时，首先建1个2路多节功分器的模型，进行仿真优化。优化完成后，再级联成8路功分器进行仿真。仿真时，设置介质板RT5880的厚度为0.254 mm，介电常数为2.2，频率范围设置为4～20 GHz。仿真参数为插入损耗S21，回波损耗S11，权重均设置为1。设置完成后进行仿真，观察仿真曲线，此时仿真出的结果为初始仿真值，不是最优值，需进行优化设计。优化时，设置S21的优化目标为-3.2 dB，S11的优化目标为-20 dB，优化完成后进行手动调谐，让仿真数据便于工程实现。最终仿真结果如图3所示。

仿真结果显示，在6～18 GHz频率范围内，插入损耗S21小于-3.1 dB(m1点)，回波损耗S11小于-24 dB(m2点)。将仿真好的功分器进行微带实现，并进行结构设计。设计完成的末级功率模块的电路布局如图4所示。

4 研制结果

最终研制了一款尺寸为215 mm×95 mm×23 mm的6～18 GHz宽带50 W功率放大器，实测功率放大器的带内连续波输出功率为53 W，增益58 dB，低端效率13.2%，高端效率11.2%，功率平坦度±0.8 dB。产品实物照片如图5所示。

5 结束语

本文研制了一款6～18 GHz宽带5 0 W功率放大器。该放大器在6～18 GHz带宽内，输出连续波功率大于50 W，具有良好的应用前景，适用于各种电子系统。

[1] 李智群，王志功.射频集成电路与系统[M].北京：科学出版社,2008.

[2] 孙晓玮.毫米波集成电路及其应用[M].北京：电子工业出版社,2012.

[3] CRIPPS S C.RF Power Amplifiers for Wireless Communications[M],2nd ed.Norwood:Artech House,2006.

[4] 龚敏强.宽带功率放大器的设计 [J].现代电子技术,2009(11):104-106.

[5] 李远鹏.6-18 GHz宽带驱动放大器的研制[J].半导体集成电路,2016,41(6):425-428.

[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),2013,41(3):54-58..

[7] 杨峥峥.微带功分器的设计[J].舰船电子对抗,2012,35(4):69-72.

[8] 刘文豹.Ku波段Wilkinson功分器仿真与设计[J].应用科技,2014,41(2):35-38.

[9] 何猛.超宽带微波功分器的研制[D].成都：电子科技大学,2009.

[10] 罗卉.宽带射频功率放大器的设计[D].成都：电子科技大学,2016.

[11] EBERS J J,MOLL J L.Large-signal behavior of junction transistors[J].Proceedings of The IRE,1954,42(1):1761-1772.

Developmentof6～18GHzBroadband50WPowerAmplifier

WANG Miao,LI Tao,SONG Jun-kui

(The 13 th Research Institute,CETC,Shijiazhuang 050051,China)

In order to satisfy the requirement of rapid development of the electronic system,a 6～18 GHz broadband power amplifier of 50 W is designed.It is made up of four grade amplifiers.A broadband equalizer is designed among grades in the circuit,so the imbalance of amplifier gain is solved.Aiming at the problem that the single-piece output power is low,this paper uses the method of microstrip power synthesis to perform the synthesis of 8 power single-pieces,then the result is output.The test result shows:in the frequency of 6～18 GHz,for the power amplifier,the output power is 53 W,efficiency is 12%,power gain is 58 dB,and the size is 215 mm×95 mm×23 mm.

broadband;power amplifier;equalizer;synthesis

TN722.75

：B

：CN32-1413(2017)04-0103-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.04.026

2017-05-09