一种C波段功率放大器的设计

韦 炜

（船舶重工集团公司723所，扬州225001）

0 引 言

微波固态功率放大器有以下优点：结构紧凑，体积小，重量轻，安装简单；稳定性好，可靠性高，使用寿命长；适于批量生产，且容易使特性一致；供电电压低；操作使用简单。因此，微波固态功率放大器在各种通信领域的使用也越来越广泛。根据需要，研制了一种C波段发射组件，可将输入的小功率微波信号调制为大功率脉冲微波信号，以驱动前级真空行波管或直接输出。调制信号由外部输入。其相对带宽可达30%，并可工作于连续波或脉冲波2种放大模式。

1 方案设计

主要设计指标如下：工作频率6.4GHz～7GHz；输出功率≥3W ；输入功率3mW ；输出功率起伏：在环境温度－20℃～＋60℃范围内以及整个工作频带内，输出功率起伏≤±0.5dB；输入输出端驻波≤1.5；具有故障检测功能。

根据指标要求，系统增益应该在30dB以上，前级设计主要为了提供足够的增益和推动功率。这里采用Eudyna公司的单片集成电路FMM5056VF，在输入功率为3mW（5dBm）的情况下，第一级增益28dB，输出1dB压缩点为33dBm（2W）。外围电路比较简单，第二级采用FLM6472－4F，功率增益9dB，输出1dB压缩点为36dBm（4W）。为满足故障检测功能，需要在输出端增加功率检测电路。为保证输入输出驻波及系统的稳定性（如输出端开路或短路的情况），加入隔离器，射频部分采用Roger4003板材，介电常数3.5。

当其工作于连续波模式时，经适度功率回退，可减小三阶互调分量，具有良好的线性；当其工作于脉冲模式时，针对雷达的信号特点，采用了电源调制温度补偿等技术措施，提高了功放的效率，减小了脉间噪声，可满足雷达的使用要求。其组成原理框图如图1所示。

图1 原理框图

2 工作原理和设计

2.1 偏置电路

FLM6472－4F为内匹配的场效应功率管，为保证其在A类工作状态，需在栅极和漏极分别加电，保证其工作在合适的静态工作点。偏置网络的设计要求并联在主传输支路上，对工作的射频信号是高阻状态，由射频高阻线、扇形线和偏压电路实现。根据传输线公式：

式中：Zin为输入阻抗；ZL为低阻抗；Z0为高阻抗。

相对四分之一波长线的输入阻抗就是：

Z′in相对当前频率就是高阻状态，实现射频扼流的效果。此处用扇形线来近似ZL。扇形线在较宽的频带范围内容易达到小于20Ω的低阻抗。关于扇形线的计算此处不再做说明。考虑到漏极电流可能比较大，高阻线采用100Ω四分之一长微带线实现。栅极偏压电路用2个电阻的分压网络实现。漏极电路考虑到脉冲调制的脉冲沿要求比较高，把扇形线的末端直接与调制晶体管的输出直接相连。直接偏置电路的仿真图形见图2。整个电路通过Ansoft Designer优化设计，在工作频段内的回波损耗能达到－25dB，见图3［1］。

2.2 温度补偿及脉冲调制

由于热能耗的原因，GaAs场效应微波放大管在高温下输出功率低于常温，而在低温下大于常温，波动比较大，图4为未经过温度补偿的输出功率。

为了补偿温度变化带来的影响，先要完成几项工作：

（1）测量漏极馈电电压变化对输出功率的影响，见图5。可以看到，输出功率随漏极功率近似于线性变化。

（2）温敏电阻调节微波放大器的漏级馈电电压变化，这里选用MAXIM663作为线性电压的控制电路，其提供2路电压输出且具有输出保护功能，如图6所示。

图2 偏置线

图3 偏置线仿真曲线

图4 输出功率波动

图5 测量漏级馈电电压对输出功率的影响

图6 温度补偿及脉冲调制电路

可以看到，由SENCE的电位控制Vout1，Vout2产生一个电压随温敏电阻变化的线性电压，驱动三极管，再通过一个高速的MOSFET开关管产生脉冲电压，这样可得到一个随温度改变的脉冲电压。

需要注意的是，连接SENCE的电位器控制输出电平值，连接温敏电阻的电位器控制温度的变化，这样可得到一个很大的调节范围。选用负温度系数阻值为10kΩ的温敏电阻，－20～＋60℃范围内在100～20kΩ之间变化。

经过温度补偿的功率输出见图7，可见在温度范围内频带整个起伏0.4dB。

图7 补偿后功率输出曲线

2.3 功率检测

针对技术指标的故障检测功能，此处在输出端需要从输出信号耦合部分功率，通过检波转化成视频信号，利用电压比较器实现故障检测的功能。根据检波器的检波动态范围，此处的耦合器需要30dB左右。如果设计一个6.4～7GHz频段的耦合器，尺寸比较大，长约7mm，过长的传输线不仅白白损失输出功率，而且太长的腔体空间也会带来功放的不稳定性。此次做了一个频率15GHz、耦合度25dB的耦合器，在6.4～7GHz频段耦合度正好为30dB，长度仅1.5mm。整体电路见图8。

输出信号经过一个－30dB的耦合器，耦合端通过检波得到一个电平信号。

图8 电路图

运放与基准电压相比较，基准电压设为中心频率输出功率一半时的检波电平，当检波电平小于基准电平（即输出功率小于1.5W）时，电路对外会给出一个标准逻辑电平的告警信号，工作指示灯灭。电路如图9所示，实物如图10所示。

结构上将微波电路和辅助电路分成两部分，在实验中发现功放管两侧的腔体收窄会改善腔体谐振的自激。微波部分侧壁贴上吸波材料可减少腔体谐振对输出功率的影响［2］。

图9 故障检测电路

图10 C波段功放电路模块

3 结束语

功放实验中，在6.4～7GHz的工作频带内，输出功率≥3.5W，在环境温度－20℃～＋60℃范围内；整个工作频带内，输出功率起伏≤0.4dB，达到指标要求。雷达固态功放自由的信号形式选择给雷达系统设计师带来了方便和机会。其电源调制、功率控制、增益补偿等关键技术已经突破，在通信、雷管等领域将会有更大的应用前景［3］。

［1］Inder Bahl，Prakash Bhartia.微波固态电路设计［M］.郑新，赵亚洁译.北京：电子工业出版社，2006.

［2］Yeap Yean Wei，Tan Soon Hie.Design of X－band high power cascade amplifier［J］.High Frequency Electronics，2007，1（10）：24－32.

［3］李树人.C波段线性固态功放在雷达中的应用［J］.电子工程，2005，27（2）：5－9.