X波段高功率脉冲放大器设计

黄昭宇，冉 东

(电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 610054)

X波段高功率脉冲放大器设计

黄昭宇，冉 东

(电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 610054)

为满足现代通信和雷达系统对发射功率的要求，文中设计了一种X波段高功率二路合成放大器。为了解决因单个功率器件功率低导致系统输出功率低的问题，选取大功率、高效率GaN器件，通过采取微带功率合成的方法，将两个功率器件进行合成，达到了输出高功率的目的，研制出了X波段高功率放大器。实测放大器的工作频率9.0～9.54 GHz，脉冲输出功率450 W，整机合成效率25%，驻波1.2。

X波段；高功率放大器；功率合成；微带

微波功率放大器是现代无线通信系统中发射链路的重要组成部分之一，广泛应用于在雷达、电子对抗、卫星通讯、航天航空和微波通信等领域中。随着微波毫米波固态器件的发展，固态微波毫米波高功率放大技术引起了广泛关注。由于单个功率管输出功率能力有限，难以满足工程应用的要求，功率合成技术是获得大功率固态微波毫米波源的最重要、最有效途径。

本文介绍了9.0～9.54 GHz脉冲400 W高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作为功率器件，采用Rat-race ring合成器进行功率合成。

1 功率器件选取

氮化镓为宽禁带第三代半导体，具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(基本不会被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能。GaN材料系列具有低的热产生率和高的击穿电场，是研制大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。所以它更适合制作高温、高频、抗辐射的大功率器件。

设计使用一款高功率氮化镓芯片，其尺寸小，采用碳化硅衬底，可在较高的温度下工作，有较强的抗烧毁能力，可在负载阻抗失配的情况下工作，整体采用微封装工艺。芯片的频率使用范围为9.0～10.0 GHz，漏极工作电压40 V，饱和输出功率54.0 dBm，功率增益为9 dB，功率附加效率为40%，工作脉冲脉宽为200 μs，占空比为20%，芯片为内匹配器件，输入输出阻抗均为50 Ω。在良好的散热环境下，芯片可以稳定地工作。根据芯片的各项参数可知，选取2只芯片进行功率合成，可以满足设计要求。

2 功率合成理论

功率合成技术已广泛应用于微波毫米波电路中，功率合成器的好坏直接决定了整个电路的合成效率，这里采用电路级的功率合成。电路级合成技术是通过功率分配和合成技术将多支功率管的输出功率进行合成输出。

二进制树形结构是常用的功率分配/合成结构，其通过级连多级二等分功率分配/合成器来实现功率分配/合成功能，二等分的功分器结构较多，包括两路Wilkinson功分器、波导分支电桥、Lange耦合器和Rat-race ring耦合器等。二进制树形功率合成电路结构简单，为平面电路形式，加工制作容易。但是，当合成数目增大、级联的级数增多时，电路的合成网络的损耗也会随之增加，会导致合成效率的降低，所以这里只采用了一级，原理框图如图1所示。

图1 放大器原理框图

在功率合成技术中，功率合成效率是一个关键指标，功率合成效率的好坏直接决定着结构的可靠性、稳定性等性能。与普通功率放大器不同的是，功率合成放大器工作时，输入信号经过功率分配网络分为幅度一致的N路信号，每路信号分别经放大单元放大以后输入到功率合成网络，最后通过输出端口输出。最后输出功率为

Pout=η×N×PMMIC

(1)

其中，η为功率合成效率，是指各种因素导致的总的合成效率，PMMIC为单个功率放大器输出功率

定义功率合成效率为

(2)

对于理想功率分配/合成网络而言，功率合成并不能提高放大器增益，功率合成放大器增益即每路功率放大器增益；功率合成效率按照矢量叠加原理，受每路信号的幅度和相位不平衡的影响，要提高合成效率，需要使各路信号幅度和相位尽量保持一致；功率分配/合成网络的损耗、幅度、相位以及放大单元的不一致性都会影响到功率合成器总的输出功率，在较差情况下，总的输出功率可能小于单路放大器输出功率；各合成单元中的放大器的不一致性会影响到功率合成效率，但同样可以改变放大器的偏压来调节放大器的相位与增益，以补偿功率分配/合成网络各单元之间的幅度以及相位不一致性，从而增加总的输出功率；功率合成效率也会受到功率分配/合成网络各支路的隔离度的影响，但当网络结构对称时，各支路信号一致性好，则隔离度的影响不大[1]。Rat-race ring功率分配/合成器的原理图如图2所示。

图2 Rat-race ring原理图

Rat-race ring功率分配/合成器是四端口网络，这里采用微带线设计。这个环的周长为1.5 λ，4个分支线并联在环上，将环分为4段。射频信号由端口1进入，分别由端口2和端口3等幅输出，相位差为180°，但由于整个功率分配/合成网络采用背靠背的对称结构，所以射频信号在合成时可以保证相位一致。端口4为隔离端口，以保证端口之间有较高的隔离度。由于所使用的功率放大芯片内匹配到50 Ω，所以4个分支线均为特性阻抗Z0为50 Ω的传输线。Rat-race ring功率分配/合成器在中心频率上完全匹配时的S矩阵如下

(3)

3 功分合成电路的仿真设计

功分合成电路使用三维电磁仿真软件HFSS设计，在设计中微带线电路使用厚度为0.508 mm的RT5880介质板。该介质板的损耗因数为0.000 9，介电常数为2.2，损耗较小，在微波毫米波电路中使用广泛。Rat-race ring功率分配/合成器设计结构如图3所示。

图3 Rat-race ring结构图

根据实际的设计要求，介质基板采用的是正六边形设计。各端口之间的距离理论上如图2所示，但还要根据具体情况进行优化，使其在所需频段达到最优。各输出端口的带线长度不宜过长，否则可能造成较大的损耗，但是必须保证50 Ω的输出，从而和功放芯片匹配。通过使用HFSS软件对整体电路模型进行仿真、优化，最终得到所需的电路设计，电路仿真结果如图所示。

图4 输出端口2、端口3插入损耗

图5 输入输出端口的回波损耗

图6 端口隔离度

在9.0～9.54 GHz频率范围内，由图4可知，端口2、端口3的插入损耗均<0.15 dB；由图5可知，输入输出各端口的回波损耗均<-30 dB；由图6可知，端口1、端口4和端口2、端口3的隔离度均<-32 dB。整体仿真优化结果满足设计要求。

4 研制结果

根据整体电路仿真设计和电源调制电路设计，研制一款175 mm×125 mm×52 mm的X波段脉冲放大器，工作频率为9～9.54 GHz，脉冲宽度为100 μs，占空比为15%。实测功率放大器的带内脉冲输出功率450 W，整机效率25%，各端口驻波比1.2。产品实物照片如图7所示，实际测试结果如图8所示。

图7 X波段脉冲功率放大器照片

图8 功放测试结果

测试是在漏极电压40 V，栅极电压-2.5 V的条件下进行，前级驱动电路输出功率为49 dBm。测试结果满足设计指标要求，但也存在功率损耗，这主要是由于实际电路片加工精准度和装配工艺水平所造成的。

5 结束语

本文研制了一款X波段脉冲400 W放大器，主要介绍了功率合成器的仿真设计和功率器件的选取。该功率放大器在9.0～9.54 GHz带宽内，脉冲输出功率>400 W，可靠性较高，能够满足项目要求。

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Design of X-band High Power Pulse Amplifier

HUANG Zhaoyu,RAN Dong

(School of Physical Electronics,UESTC,Chengdu 610054,China)

In order to meet the requirements of modern communication and radar system for transmitting power, an X-band high power two-way synthesis amplifier is designed. In order to solve the problem that the power output of the single power device is low, the high power and high efficiency GaN devices are selected. By taking the microstrip power synthesis method, the two power devices are synthesized to achieve the purpose of outputting high power, and the X-band high power amplifier is designed. A power amplifier at the frequency 9.0～9.54 GHz with 400W pulse wave, 25% efficiency, 1.2 standing wave is designed at last.

X band; high power amplifier; power combiner; microstrip

2017- 08- 10

黄昭宇(1992-)，男，硕士研究生。研究方向：微波毫米波电路与系统。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.12.007

TN722

A

1007-7820(2017)12-025-03