一种X波段功率放大组件设计

贵州航天计量测试技术研究所 高 峯 廖海黔 赖寒昱

一种X波段功率放大组件设计

贵州航天计量测试技术研究所 高 峯 廖海黔 赖寒昱

本论文主要研究和设计了一种X波段GaN线性固态功率放大器组件，该固态放大器由功分器、可变增益放大器、功率放大器和隔离器等模块组成。电路采用一种混压阶梯结构的PCB工艺方式，将微波电路与控制电路集成在一张电路板上，实现了两路同时最大输出功率达30dBm的功率放大组件。最后经实测结果表明，功放组件在X波段250MHz带宽范围内最大输出功率+30．48dBm，带内平坦度优于±1dB。谐波抑制度优于-55dBc。

功率放大组件；混压阶梯结构；GaN；X波段；输出功率；谐波抑制度

1 引言

功率放大器是无线通信系统中一个关键的组件，航天应用对功率放大器的功耗、线性度、体积、重量、抗辐照和气密封装有较高的要求[1]。目前，以GaN、SiC为代表的宽禁带材料工艺的成熟，为宽禁带功率器件取得了很大的发展，凭借其众多优势使之更适合制造高温、高功率器件[2]。

2 工作原理

根据项目需求，需设计一功率放大组件，工作频率为X波段，带宽为0.25GHz，两路信号全频段最大输出的功率为+30dBm±1dB，谐波抑制优于-30dBc。

功放组件原理框图如图1所示，输入信号功率为0dBm±1dBm，经过威尔金森功分器将信号分为两路，通过控制VGA增益驱动使功率放大器达到最大输出。其中VGA选择HMC694，该器件1dB压缩点为19.5dBm，最大增益为18dB。控制电压范围为-2V～0V。为了便于外部FPGA控制，控制电压前端使用运算放大器作反向电路最终使控制电压范围为0V～2V。

图1 原理框图

功率放大器采用Triquint的TGA2627该芯片最大输出功率达2W的功率放大器，其具体参数见表1。

表1 TGA2627功率放大器的主要指标参数

TGA2627除了上述主要指标以外，还有一个重要的指标就是可以实现输出信号谐波抑制小于-40dBc。

隔离器采用GDK-900A，隔离度≥20dB，插损约为1dB，工作频率为X波段。

3 电路设计

由于功率放大组件电路要实现大功率信号输出与良好的散热性，往往会通过将微波电路与外部电路分开设计的方法来达到降低信号串扰的影响。为了尽可能减小模块尺寸并兼顾良好的散热性能，减少局部高温对功率器件输出性能恶化的影响，本文中PCB采用了一种阶梯结构实现。[3]由表1可知，该电路中得主要发热器件为TGA2627与HMC694，其中TGA2627功耗达9.75W，射频信号最大输出功率为2W，其余功耗均作为热量进行传递，所以需要对其电路布局进行特殊处理。具体处理方法如图2所示。

图2 功放组件电路布局

图2 阶梯结构处理示意图

图3 PCB板与镀银金属底板

该电路板为6层混压板，第一介质为Rogers5880，其余层介质为FR4。为了将工作中放大器的热量尽快的传递至腔体散热，所以将这些器件底部的FR4介质层去除，并配合一张镀银金属底板与PCB底面粘和。如图3、图4所示。

4 实验结果

当功率放大组件输入功率为0dBm时，以10MHz为步进测试带宽范围内其输出功率，测试结果如表2所示。以50MHz为步进测试其二次谐波抑制度，其结果如表3所示。

表2 功率放大组件两端口输出功率测试结果

表3 功率放大组件两端口输出信号谐波抑制

由表2、3所示可见该功放组件满足了预期指标要求。

5 结论

本文采用多层混压阶梯PCB结构设计了一款X波段功率放大器，该固态放大器由功分器、可变增益放大器、功率放大器和隔离器等模块组成。多层混压阶梯结构将微波电路与控制电路集成在一张电路板上，实现了两路同时最大输出功率达+30dBm的功率放大组件。最后实测时，功放组件在X波段250MHz带宽范围内最大输出功率+30.29dBm，带内平坦度优于±1dB，谐波抑制度优于-64.46dBc。

[1]裴晨．高效率S波段GaN线性功率放大器的设计与实现[学位论文]．南京理工大学电子与通信工程,2013．

[2]杨斐,周永伟．S波段GaN大功率放大器的设计与实现[J]．火控雷达技术,第157期．

[3]宋建远,彭卫红．高频混压阶梯板制作技术研究[J]．印制电路信息,2011(z1)．