L波段高功率放大器的设计

【摘要】随着微波功率晶体管制造技术的飞速发展，金属氧化物半导体场效应管和砷化嫁场效应管的性能不断完善，为全固态发射机和功率放大器的设计提供了有力的保障。本文介绍了一种利用金属氧化物半导体场效应管实现L波段高功率放大器的设计方案，重点描叙了各级电路的实现方法，并对L波段宽带高功率放大器在设计中遇到的问题进行了分析。

【关键词】功率合成;LDMOS功率管;全固态发射机

机载电子设备发射机的性能与新技术、新材料、新器件和新工艺的的发展密切相关，随着新技术、新材料、新器件和新工艺的发展和微波功率放大器性能的不断完善，进一步推动了全固态发射机性能的提高，使机载电子设备发射机向着高性能和高可靠性方向发展。

全固态发射机由多个微波功率放大器直接合成，或在空间合成得到所需要的输出功率，具有工作电压低、可靠性高、维修性好、全寿命周期费用低、机动性好等特点。现已广泛应用在雷达、导航和电子对抗等领域。

1.金属氧化物半导体场效应管

场效应晶体管﹙FET﹚的物理结构是一个整片半导体材料，其电流通路受到外加电压的作用时，只有一种载流子起导电作用，按栅极物理结构不同可分为三种类型：结型场效应晶体管﹙JFET﹚、金属半导体场效应晶体管﹙MESFET﹚和金属氧化物半导体场效应晶体管﹙MOSFET﹚。MOSFET是在金属和半导体之间加入了氧化物作为绝缘层， 金属和半导体材料间有氧化层构成电容，其下有导电沟道，分增强型和扩散型。微波功率MOSFET

是电压控制器件由珊极上的电压来控制导电沟道宽度，因而具有大信号特性好、热稳定性好，允许大面积有源区组合;可不用镇流技术;当稳度上升时，漏极电流会减小等优良特性。MOSFET与双极晶体管相比具有更低的噪声电平输出。目前LDMOSFET器件的工作频率已达4GHz，连续波输出功率已超过200W。

2.L波段高功率放大器工作原理

设计高功率放大器一般按照以下几个原则进行;

（1）选择合适的的晶体管。选择晶体管的原则为工作频率和输出功率，晶体管的截止频率不宜选的过高，高截止频率意味安全值的降低。

（2）确定放大器级数，根据输出功率和输入功率信号的比值计算增益，合理分配各级放大器的增益，并保留一定的余量。

（3）设计阻抗变换电路，查出晶体管在给定的工作频率，电源电压以及输出功率条件下的输入和输出阻抗，根据阻抗变换和谐波抑制的要求，设计输入和输出网络。

（4）选择合适的直流馈电电路。严格按照晶体管手册中推荐的要求确定偏值，因为当工作改变时，晶体管的增益、阻抗都发生变化。

功率放大器的原理;一般分为小信号放大，激励级，输出级三部分。通常情况下功率放大器设计顺序为：先设计输出级，其次激励级，最后小信号放大。

3.L波段高功率放大器的设计

3.1 主要技术指标

工作波段：L波段;输出功率58dBm± 2dB;杂波抑制≥-60dBc;谐波抑制≥-35dBc;输入功率0dBm。

3.2 设计方案

根据技术指标要求，采用三级放大方案;功率放大器有以下，三级放大器均为场效应管，组成全固态放大器;调制放大器为A类小信号线形放大器，激励放大器和输出放大器均为AB类，目的提高功率和增加效率。放大器之间加隔离器或环行器，保证放大器输入输出驻波良好。由于单个功率管的输出功率达不到指标要求，输出放大器采用功率合成技术以满足输出功率要求。

调制放大器和激励放大器选用单片集成功率器件;其工作可靠，使用简单。调制放大器选用HE160放大器，通过12V脉冲电源供电，实现脉冲调制和放大两项功能，场效应管增益为26dB，将信号源送来的0dBm载波信号放大为26dBm;激励放大器将调制放大器送来的脉冲射频信号进行放大，采用NXP公司的功率管BLL6H0514-25，其增益为20dB，输出功率25W。

输出放大器提供最终的射频输出功率，因此它是功率放大器最重要的部分，设计难度很大;LDMOS管具有输出功率高，热稳定型好，功率增益高，频带宽等优点，因此采用NXP公司的LDMOS功率管BLA6H0912-DTS，技术指标如下：工作频率L波段;输出功率500W，增益为17dB，抗失匹配能力强，可靠耐用。当功率管选定后，影响带宽和功率的主要因素就是外部电路，即输入输出匹配电路、馈电电路、功率分配器和功率合成器。详叙如下：

（1）匹配电路。

匹配电路要使用双共轭匹配法，匹配好坏的判断标准是：功率增益是否到位、频率带宽是否到位、输出波形有无失真、高低温功率增益变化大小。功率管的输入和输出阻抗很小，在宽频带内很难匹配，生产厂商提供了经过验证的匹配电路，可供参考。

（2）馈电电路。

通常有四种方式，如图1所示;功率管的馈电电路包括栅极馈电和漏极馈电。

图1 馈电电路

漏极起初采用λ/4波线的馈电方式，在调试时发现，在频率的两端功率和频谱性能不能兼顾，易自激，故将馈电的微带线从靠近匹配电路处割断，而采用图1c）所示的宽带扼流圈进行馈电，即用Ф0.8漆包线在10Ω的功率电阻上饶四圈并联供电，以扩展频带和防止低频震荡。整个频段功率和频谱性能均达到要求。

栅极采用λ/4波线的馈电方式，馈电源采用线形稳压器供电。为维持恒定的稳态电流，栅极电压须随功率管结点温度的变化进行调整，三极管BC847为温度感应器，就近安装在功率管旁边;电阻单位为Ω;温度在0℃～100℃变化时，Vgs=2.2V±0.7V。

（3）功率分配器和功率合成器

BLA6H0912-DTS输出功率达500W，为满足高低温正常工作，高可靠性使用的目的。采用降额设计法，使每只功率管的输出功率为350W，由于单个功率管的功率达不到要求，所以采用功率合成的方法得到的射频脉冲功率为700W。功率分配器和功率合成器采用广泛使用的Wilkinson二功分器。

4.测试结果

将各放大器和微波介质基板用微封装技术进行组装，功率管对接地要求很高，在装配时散热槽尽量保持平整，必要时用砂纸打磨，并在散热槽内涂敷导电胶，然后用螺钉将功率管紧固在散热槽内。在结构上根据信号流向，三级放大器各放一个腔体内，腔体之间通过微带电容连接，电源通过穿芯电容供应;三个腔体加有盖板以防泄露;实现了一个小型化的功率放大器的制作。外型尺寸为280mmx150mmx30mm，重量为1.5Kg。

通过测试，功率放大器技术指标如下：体积280x150x30mm3;输出功率58dBm±2dB;杂波抑制≥65dBc;谐波抑制≥45dBc;达到或超过系统技术指标，满足机载整机设备的要求。

5.结束语

文中介绍了L波段高功率放大器的设计原理和具体实现方法，该设计具有电路简洁﹑结构紧凑﹑工作可靠的特点，目前在某型机载导航设备中得到了应用，效果良好。

参考文献

[1]陈邦嫒.射频通信电路[M].北京：科学出版社，2002.

[2]格列别尼科夫（美）.张玉兴，赵宏飞，译.射频与微波功率放大器设计[M].北京：电子工业出版社，2007.

作者简介：张二剑（1976—），男，工程师，研究方向：仪表计量及设计。