对Ku波段200 W高线性固态功放的研制

周二风

（安徽华东光电技术研究所有限公司，安徽 芜湖 241002）

0 引言

随着通信、雷达及电子对抗无线系统的飞速发展，系统对高效、宽带大功率功放的需求与日俱增，大功率功放作为微波、毫米波发射链路中的核心设备，其发射功率和线性度决定了系统的工作效能，同时其理论与技术一直是业界研究的热点。

多年来，要在微波、毫米波频段获得大功率输出，必须依靠电真空器件（例如行波管、磁控管及速调管等）功率放大器。但随着微波单片集成电路（MMIC） 以及功率合成技术的发展，固态功放的输出功率已经可以达到与行波管放大器相同的水平，并且在使用寿命、工作电压以及可靠性等方面与前者相比具有明显的优势[1]。因此，固态功放备受关注，它的应用范围也日益广泛，其已经成为微波、毫米波功放发展的主流技术路线。

该文介绍了1 种对Ku 波段200 W 线性固态功放工程的研制，其连续波输出功率可达200 W，且输出效率高达20%，三阶互调线性度可达-26 dBc@50 dBm，谐杂波抑制度可达-60 dBc 以上。此外，固态功放还具有完善的人机交互及监控保护功能，可生产性和工程实用性较强。

1 整机方案设计及工作原理

固态功放由射频预失真驱动单元、Ku 波段200 W 末级功放单元、功率检测单元以及电源和监控处理单元等部分组成，并将其集成于密闭的喷漆铝材机箱内，可以在室内外的工程中使用，其原理框图如图1 所示。该固态功放同时具有过压、过流、过激励、过反射以及过温等告警保护功能，并采用内嵌式操作界面控制的方式，具有高效的多任务处理能力。

图1 固态功放原理框图

该固态功放的主要功能是将来自卫星地面的变频器设备所输出的射频信号进行功率放大，使信号能量足以有效地发射到卫星转发器，以此满足卫星通信的功率需求。将来自卫星地面的变频器设备所输出的射频信号连接到该功放射频输入端，经射频预失真驱动单元、Ku 波段200 W 末级功放单元逐级放大后，最终实现70 dB 的增益以及200 W 的功率输出。

1.1 射频预失真驱动单元设计

在测控及通信等应用领域，固态功放的线性度是除功率之外另外1 个非常重要的指标，它会直接影响系统的测控精度和通信质量[1]。由于Ku 波段200 W 末级功放单元采用的氮化镓功放芯片进行功率合成，其功率增益压缩特性和线性度不能满足整机指标要求，需要采用射频模拟预失真电路[2]对其进行修正，射频模拟预失真驱动单元原理框图，如图2所示。该模块除提供预失真以外，还为系统链路提供足够的射频增益和驱动功率。该电路中的数控衰减器用于调整整机链路增益，其检波电平用于检测输入电平的功率，从而实现功放过激励保护功能，同时该检波电平还可以用来控制可调增益放大器的衰减量，进而弥补氮化镓功率增益的压缩。

预失真电路的核心为高性能的射频二极管，其外围匹配和偏置电路可以调整二极管的静态工作点，达到减小预失真电路的插损和改善线性度的目的。可调增益放大器可以用来调整链路预失真的深度，同时对整机增益进行温度补偿，在功放高低温工作时达到稳定增益的效果，而模块中的滤波器可以用来抑制带外噪声。

1.2 供电监控单元电路设计

该供电监控电路单元主要由AC-DC 电源、DC-DC 二次电源变换电路、微处理器电路、正负电时序保护电路以及故障指示电路等组成。主要为射频预失真驱动单元以及Ku 波段200 W 末级功率放大进行器供电和控制，并且提供友好的人机交互界面（例如整机过温，过压、过流、过激励、过反射以及实时输出功率等），可以通过双色LED 指示灯显示输出，便于用户使用。其原理框图如图3 所示。

图2 射频预失真驱动单元

图3 供电监控电路单元

1.4 Ku 波段200 W 末级功放设计

该模块采用2 个Ku 波段200 W 末级功放使用魔T[3]进行二次功率合成，而每个Ku 波段200 W 末级功放使用4 路氮化镓功率管，并空间功率合成的方式进行功率合成，合成效率达到93%以上。Ku 波段200 W 末级功放功分合路器仿真建模与仿真结果，如图4 所示。m1、m2 代表其通带S21的插入损耗值，m3、m4 代表其通带S11 的回波损耗值。

2 热设计

热设计采用风冷主动散热的方式散热，同时对风扇的防水性能有较高的要求。产品热耗主要集中于末级功放单元，其双面散热面与整机上下壳体紧密接触，将其热量带走。热仿真功放外壳温升约31 ℃；当极限环境温度为70 ℃时，其末级功放外壳温度为101 ℃。功放芯片正常工作结温估算为101 ℃（壳温）+70 W（热量）×1.3 ℃/W（热阻）=192 ℃＜＜225 ℃（芯片结温），功放该功放可以有效、可靠地工作。

3 测试结果分析

固态功放实物如图5 所示，对其各项指标的介绍如下 。

3.1 三阶互调和P-1dB 输出功率测试结果

如图6 所示，是固态功放三阶互调IM3 和压缩点P-1dB输出功率的测试结果，三阶互调（双音信号间隔5 MHz，功率200 W 回退3 dB 即50 dBm 时），交调高达-27 dBc 以上，输出功率大于200 W（即53 dBm）。

3.2 其余指标

Ku 波段200 W 高线性固态功放的功耗、谐杂波抑制以及增益等指标见表1。

图4 Ku 120 W 末级功放功分合路器仿真建模与仿真结果

图5 Ku 波段200 W 线性固态功放图片

图6 三阶互调和功率测试值

表1 固态功放其余指标

4 结论

该文介绍了对1 种Ku 波段200 W 高线性固态功放工程的研制，通过空间功率合成的方式使用8 路MMIC 功放管进行功率合成，合成效率高达90%以上，连续波输出功率高达200 W，线性度、谐杂波抑制度以及平坦度等较好，交流电源供电整机射频效率达到20%以上。同时功放设计满足在高低温、振动、盐雾以及低气压等环境下的可靠性试验要求，并可以在工程化项目中应用。同时，它配备了完善的监控设备，具有广阔的应用前景。