Ka频段300 W固态功率放大器设计

刘士奇，周 云，王 崇，郑 昕，陈 镭

( 1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.陆军北京军代局驻石家庄地区军代室，河北 石家庄 050081；3.中航飞机股份有限公司，陕西 西安 710000；4.成都天剑科技有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

在毫米波卫星通信系统中，功率放大器是系统的核心设备之一。为了实现更高传输速率、更强抗干扰能力和避免对临道的干扰，系统对功率放大器的输出功率和线性度要求越来越高，一款高性能的功率放大器可以提升整个系统的工作能力[1-4]。

第三代半导体材料GaN与第二代半导体材料GaAs相比，具有高临界击穿电场、高热导率和高功率密度等优点。相比于GaAs功率放大器和行波管功率放大器，GaN固态功率放大器具有体积小、结构紧凑、使用寿命长和环境适应性强等优势，基于GaN的半导体器件已在卫星通信、航天测控等领域广泛应用，具有广阔的应用前景[5-6]。

本文基于国产化GaN芯片研制了一款宽带、高功率、高线性度的Ka频段固态功率放大器产品，对功率放大器整机原理，分、合路器结构的设计制作等进行了介绍。该功率放大器可广泛应用在卫星通信领域。

1 整机方案设计

Ka频段300 W固态功率放大器整机主要由衰减器、线性化驱动放大器、功率放大器模块、耦合检波器、监控单元、电源模块和风机等组成，如图1所示。

图1 Ka频段300 W固态功率放大器原理Fig.1 Functional block diagram of Ka-band 300 W SSPA

分路器将输入信号分为2路：一路用于对输入信号进行功率检测；另一路进行功率放大并输出。衰减器由放大器和数控衰减器芯片组成，可以实现高精度和小步进衰减，高精度增益调节和输入功率检波。线性化驱动放大器可以提供需要的增益和足够的驱动功率，同时线性化电路部分还可以改善整机的线性度。功率放大器模块由32路功率放大器芯片合路组成，保证大于300 W的功率输出。耦合器将功率放大器模块输出的信号输出，并耦合出3路信号：一路用于射频采样，另外2路分别用于正向检波和反向检波。电源模块将输入的220 V交流电转换为+20，+8，+12 V为各模块供电。监控单元采集各模块的信息，并将输入功率、输出功率、反射功率、温度、增益、电流、电压和风机转速等信息上报给站控，监控单元在特定情况下可关闭电源输出以保护设备。

2 主要模块设计

2.1 高效高隔离度合成器

由于单只功率放大器芯片输出能力有限，多路功率合成的方式是实现大功率输出的唯一途径。波导内的空间功率合成方式具有损耗低、效率高、易加工和易散热等优势，因此在毫米波频段多采用各种形式的波导-微带转换结合波导功率分配/合成的形式实现功率合成[7-17]。

在综合分析各种功率分配/合成结构优缺点的基础上，设计了一种基于波导E-T型结的新型功分器，通过在传统波导E-T结功分器中加入探针过渡、吸收负载的方式，将传统波导E-T型结的三端口传输特性设计成波导四端口特性，在插入损耗、2路输出隔离度、宽频带及小体积等各方面相比于传统功率分配/合成结构都有很大提高。

高隔离度二分路器三维模型如图2所示。

图2 高隔离度二分路器三维模型Fig.2 Model of power divider

高隔离度二分路器仿真结果如图3所示。

图3 高隔离度二分路器仿真结果Fig.3 Simulation results of power divider

由图3可以看出，相比传统的E-T结功分器，隔离度由6 dB改善为20 dB，可以改善隔离度不高造成的芯片间信号干扰，使芯片工作更稳定。

基于高隔离度新型E-T结功分器制作的单元功率放大器模块如图4所示。模块实现了8路12 W放大器芯片合成，经测试，该模块可在25～31 GHz实现大于80 W的功率输出。

图4 Ka频段功放模块Fig.4 Picture of Ka-band power amplifier module

以该单元功率放大器模块为基础，可以根据不同的功率需求，采用波导空间功率合成的方式再次进行功率合成，实现所需要的输出功率。本文使用改进型高隔离度E-T结功分器为基本单元，通过级联的方式实现4路功率分配/合成，同时在合路器支臂中加入高通滤波器，实现对接收频率的抑制，可以有效改善噪声谱密度。分/合路器仿真模型如图5所示。分/合路器仿真结果如图6所示。

图5 分/合路器三维模型Fig.5 Model of power divider and combiner

图6 分/合路器仿真结果Fig.6 Simulation results of power divider and combiner

2.2 预失真线性化技术

随着卫星通信技术的发展，系统对传输信息量、传输速率及传输质量越来越高，对毫米波功放的线性度的要求更高。目前，Ka频段GaN功率放大器芯片在多路合成时无法满足系统对三阶互调指标的要求，为了更好地满足使用要求，需要采用预失真线性化技术以改善整机的三阶互调指标。

本文基于模拟预失真的方法设计了一种线性化器，相比于其他方式，模拟预失真线性化器具有频带宽、稳定性高、成本低和电路简单的优势[18-19]。

预失真线性化器设计原理框图如图7所示。基本思想是通过在90°分支线电桥的支路上使用肖特基二极管改变电桥耦合及直通支路上的反射系数，以改变预失真线性化器的输入输出端口间的传输系数，实现与固态功放非线性失真相反的趋势，从而抵消固态功放自身的非线性失真。

图7 线性化器原理Fig.7 Principle block diagram of predistortion linearizer

线性化器实物图如图8所示。

图8 线性化器Fig.8 Picture of predistortion linearizer

线性化器幅度、相位测试结果如图9所示。

图9 线性化器幅度、相位测试结果Fig.9 Results of amplitude and phase test of predistortion linearizer

通过调节馈电电压和调谐单元，选择适当的工作点，使预失真器非线性呈现与功放相反的趋势，并与功放的趋势互补，相互抵消，以优化功放的线性度。

线性化模块组成框图如图10所示。预失真线性化器前后要配置有增益可调放大模块，增益可调模块的作用是调节预失真线性化器的输入功率范围，使其与末级的固态功放模块区间相吻合，从而达到相互抵消的目的。

图10 线性化模块组成框图Fig.10 Block diagram of predistortion linearizer module

利用上述方案，研制了预失真线性化驱动模块，在整机中加入线性化驱动放大器模块，整机的三阶互调值由-23.5 dBc提高到-28.8 dBc。

3 整机设计及实测结果

Ka频段300 W功率放大器作为通信链路的关键设备，需要不断电长时间工作在室外环境中，在设备指标合格的前提下，需要尽可能提高设备的可靠性。考虑到设备工作在不同的环境条件，不仅需要充分考虑设备的散热，还需要配置完善的监测功能实现对设备的监控和保护。

通过在各关键部件装配参数传感器，设备的监控单元可以实时监测设备的输入功率、输出功率、反射功率、功放模块的温度和每只功放芯片的电流等状态参数，操作人员可以通过站控读取设备的增益、输出驻波、输出功率、反射功率、温度和电流等参数，可通过设置衰减调节设备增益。当设备输出驻波异常、电流或温度超过设定的阈值时，设备的监控单元关断电源输出，以保护功放模块。

Ka频段300 W功率放大器整机实物如图11所示。该功放散热方式为风冷，机箱采用均温板材料，使发热量最大的功放模块的热量能均匀到机箱，最大程度降低设备的温升。通过测试，设备在300 W功率输出时，设备温升约为25.5 ℃，即使在55 ℃的条件下，仍能可靠运行。

图11 Ka频段300 W功率放大器实物Fig.11 Picture of Ka-band 300 W power amplifier

对Ka频段300 W功率放大器进行全指标测试，其主要测试指标如表1所示。

表1 Ka频段300 W功率放大器测试结果
Tab.1 Test results of Ka-band 300 W power amplifier

项目测试结果工作频率/GHz输出功率/dBm三阶互调/dBc杂散/dBc功耗/W25～3155.2-28.8-65.72 100

由测试结果可以看出，该功率放大器性能指标优良。

4 结束语

本文介绍了一种Ka频段固态功率放大器的设计，通过多路功率合成实现300 W的连续波功率输出，三阶互调指标优于-25 dBc功率合成效率优于90%，整机效率优于16%，整机重量小于23 kg。设备通过了高温、低温、震动、淋雨、低气压和电磁兼容等各项试验，各项性能指标均满足要求，配置了完善的监控功能，针对工程应用进行了多项设计，具有广阔的市场前景。