S-C频段宽带250W功率放大器的设计

陈昱宇 刘闻 李栋

摘要 为满足通信、电子信号系统对超宽带大功率发射源的需求，研制一款工作在s-c频段，频率范围覆盖2GHz-6GHz的超宽带功率放大器。目前该频段单芯片最大输出功率仅25W，故选用1 6只芯片通过由威尔金森功分器和3dB电桥组成的超宽带低插损合成网络进行高效功率合成。经一系列结构、电路优化设计后，组件最终在260*190*30mm3体积下实现了2GHz-6GHz范围内≥250W的功率输出，功率增益≥54dB，小信号增益平坦度≤±2.5dB，电源效率≥20%，信号杂散抑制≥70dBe。

【关键词】高效率 超宽带 大功率 威尔金森功分器 高杂散抑制

本文对一款工作在S-C频段，频率范围覆盖2GHz～6GHz的250W固态功率放大器的研制进行了总结。放大器内部采用16只输出功率≥25W的GaN功放芯片进行合成，合成网络由威尔金森功分器和3dB电桥组成;在功放内部设计有多重低频滤波网络、用于改善信号杂散抑制度;通过功放内部的结构、电路优化，最终功放体积为260*190*30mm3。

1 驱动放大单元设计

实现驱动放大器的高增益指标需采用多级放大器进行级联。在实际应用条件下，因各级放大器输入输出驻波、传输介质不连续、加工装配、误差等因素影响，放大器级联后增益平坦度与理论值相比存在不同程度的恶化，尤其在宽频带内，级间的反射相位有时叠加有时抵消，增大了起伏。改善放大链增益平坦度通常有两种途径：

（1）选用均衡器对增益进行补偿;

（2）选用增益曲线互补的放大器级联。

为改善增益平坦度，驱动放大器设计时采用以下措施：

（1）在驱动放大器输入端加Ⅱ型衰减器调节放大链增益和改善输入驻波;

（2）选用三级增益曲线在2GHz-6GHz范围内互补的放大器级联;

（3）在驱动放大器级联加入均衡器，均衡器作用为对频率增益特性进行纠正和降低两级放大器间的互耦，减小模块发生自激的可能。均衡器采用砷化镓工艺制作，频率覆盖2GHz-6GHz，输入输出驻波比均<1.4，增益均衡量5dB。

经增益平坦度优化后驱动放大器理论增益≥45dB，增益平坦度≤土1 dB，小信号增益2GHz处最低，6GHz处最高，输出功率≥40dBm。依据工程经验，最终驱动放大器增益平坦度≤ 土1.5 dB。

2 功率放大单元

功率放大单元由输入功分网络、输出功率合成网络和16只GaN功率放大器单片组成。

氮化镓为第三代半导体材料，具有高跨导值、高击穿电压、高输出功率密度、高输出阻抗等优势，因此十分适合当代射频功率放大器特别是超宽带功率放大器的设计。本功放选用的功率单片工作参数如下：在2GHz-6GHz范围内，饱和输出功率兰44dBm，功率增益≥20dB，效率≥30%。考虑合成损耗及实际应用环境，16只功率单片合成完全可以实现≥250W的功率输出。

实现超宽带的功率合成，常用的合成器形式包括多阶威尔金森功分器、LANGE桥、E-T结波导功分器等。由于工作频率较低，工作在该频段的波导尺寸较大，且宽频段的波导到微带线的转换较复杂，不建议使用。威尔金森功分器和LANGE耦合器尺寸较小、可与其它形式的微带电路集成在同一块印制板上、易于调谐，成为应用面最广的合成方案。

3 电磁屏蔽与接地设计

由于加工误差、装配工艺、设计理念等影响，通常微波放大器完成封装后，盖板与盒体会存在一定数量的缝隙;放大器外部的接插件等都可能成为外界辐射信号的传输通道。切断通道的途径如下：

（1）有条件尽量采用激光封焊、平行封焊等可实现气密的封盖方式;

（2）对于放大器件所在腔体，采用2层甚至多层封盖的方式;

（3）针对螺钉封盖，尽量增加螺钉数量并优化固定螺钉分布位置，减小盖板形变。

实现良好接地的途径包括：

（1）尽可能增大接地面积，接地面积越大，等效接触电阻越小;

（2）要求接地面具有较高的平整度，平整度越高，等效接触面积越大;

（3）放大器外部接插件与壳体实现紧密接触，保证接地良好。

4 结构优化

为满足功率放大器在多种应用场合下的适应性，采取多种结构优化措施。结构优化主要包括外界相连的接口的优化和与尺寸的小型化两方面。

接口优化措施包括：

（1）射频接插件选用标准50欧姆阻抗SMA-K接头，方便与各种应用系统的集成;

（2）电源控制接口选用标准连接器（可依据不同系统的需求在J30J、J30、J14等多种标准接口间进行选择）;

（3）优化接口布局，实现大小信号隔离、高低频信号隔离，提高产品的易用性。

尺寸小型化通过功率放大单元小型化和多层电路结构技术实现。功率放大单元内部元器件尽量选用MMIC;选用高介电常数的射频板材作为微带电路载体;选用小型化的微波接插件。通过上述措施，内部80w功率模块体积为70*40*12mm3。功放整体设计时采用多层电路方案。驱动放大级、功率放大单元在同一层，电源监控单元分2到3层，避开功放内部发热量较大的區域，层间互联通过小型化接插件实现。通过上述措施最终将功放体积控制在260*190*30mm3。

5 研制结果

功放产品实物照片如图l所示。实测结果显示：在2GHz-6GHz范围内，功放输出功率≥54.5dBm（连续波）、≥55.2dBm（占空比40%）;功率增益≥56dB;小信号增益平坦度≤±2dB;电源附加效率典型值25%（最大31%），优于设计预期。

6 总结

本文介绍了一款工作在S-C频段，频率范围覆盖2GHz-6GHz的超宽带大功率放大器，介绍了放大器的指标分配、电磁屏蔽与接地设计、小型化处理方法，对功分、合成网络进行了理论分析。功放最终输出连续波功率大于250W，电源附加效率典型值25%，若后续采用更大功率的功放芯片，还可以获得更高的功率输出，适用于多种对大功率、超宽带特性有较高要求的通信、电子信号系统。

参考文献

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[2]陆宇.30～2600MHz超宽带CaN功率放大器的设计与实现[J].半导体技术，2015 （12）.

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