L波段1200 W固态功率放大器的设计*

孟庆贤，席洪柱，方 航，王 亮，王 林，叶 鑫，詹 锐

（安徽华东光电技术研究所有限公司，安徽芜湖 241000）

1 引言

微波功率放大器的作用是在信号与信息传输系统中，将发射端的信号进行放大再传送[1]，主要分为真空和固态两种形式[2]。真空器件转换效率高，输出功率一般可以达到上百瓦，但是使用寿命有限、可靠性差、占用体积较大[3]，由于其功率与效率的优势，目前仍广泛应用于各领域。固态器件的输出功率和效率相对于传统的真空器件较低，但随着LDMOS和GaN等技术的日益发展[4-5]，这些问题都逐步得到解决。此外，微波器件自身具有优势，如供电电压低、使用寿命长、可靠性高、体积小等，而且可以利用功率合成技术，使用多个固态器件的并联放置实现高功率输出[2]。如今固态功率放大器已被广泛应用于加速器、微波加热、微波干燥等领域[6-8]。

L波段固态功率放大器基于LDMOS和GaN器件进行研制，输出功率完全可以达到真空器件的要求。文献[9-10]选用LDMOS管研制L波段的固态功率放大器，效率和线性度良好，输出功率分别为100 W和160 W。文献[11-12]选用GaN功率器件研制L波段的固态功率放大器，效率高，输出功率稳定，输出功率达100 W和137 W。文献[13]研制了一款L波段高效GaN功率放大器，输出功率达到400 W。目前在很多领域百瓦级别的功率输出已经无法满足使用要求，千瓦级别甚至更大功率的L波段固态功率放大器应运而生。同时，由于整机系统的集成度越来越高，各部分实现模块化，固态功率放大器不仅需要稳定输出大功率，而且体积要小，方便操作。文献[14]基于LDMOS管采用三级放大，对4个350 W放大模块进行合成，研制出一台L波段输出功率为1000 W的固态功率放大器，但该样机体积相对较大，集成度较低。文献[15]基于自主研制的GaN器件，设计了一款L波段输出功率为1100 W的固态功率放大器，但仅支持脉冲的工作方式，而且GaN器件的价格相对于LDMOS管要高。

本文针对目前L波段固态功率放大器的发展需求，设计了一种基于LDMOS管的L波段固态功率放大器，工作频率为1.3 GHz，带宽为±5 MHz，支持连续波和脉冲两种工作方式。通过三级放大，均能实现1200 W的功率稳定输出，同时整机采用小型化设计、低成本制造，并且控制方便。通过对样机的测试，结果表明该放大器具有输出功率稳定、体积小、成本低、相噪低、谐波抑制度高等优点，还能作为单个放大模块，通过多路合成达到更高功率的输出，具有广泛的适用性。

2 固态功放设计

2.1 总体设计

本文提出的L波段固态功率放大器的原理框图如图1所示。

图1 放大器原理

由图1可知，固态功率放大器主要由增益调节电路、相位调节电路、一级放大电路、二级放大电路、末级放大电路、环行器、水冷板、供电电源与控保电路组成。射频信号源提供微波小信号，首先经过增益和相位调节电路，然后经过一级、二级放大电路，放大后信号通过3 dB电桥一分二到末级放大电路，再通过3 dB电桥合成，最终输出功率。供电电源给各级功放管及芯片提供工作电压，环行器主要用于保护功率放大器，避免输出不匹配导致反射功率过大烧毁功放管等器件，控保电路是对功率放大器的状态进行检测，并对异常状态进行保护，水冷板置于所有器件下方，带走发热器件的热耗。

2.2 放大电路设计

2.2.1 一级放大电路设计

一级放大电路主要为了提供足够的增益，用来弥补增益调节电路和相位调节电路的增益损失，同时还要考虑大功率集成和小型化设计。本文采用一种塑封的LDMOS功放管，工作频率可达到1400 MHz，效率高，热稳定性优异，增益大于16 dB，输出功率大于41.1 dBm，具体电路如图2所示。

图2 一级放大电路

微波小信号经过由电感L1和电容C46、C47组成的输入匹配电路，再通过隔直电容C1进入功率管进行放大，然后通过由电感L12和电容C44组成的输出匹配电路，最后通过隔直电容C45输出功率信号。供电电源50 V一路经过去耦滤波电路给功率管提供工作电压，另一路经过由稳压二极管D1构成的稳压电路提供偏置电压，调节滑动变阻器RV3，使得静态电流为80 mA，保证晶体管正常导通工作。

2.2.2 二级放大电路设计

二级放大电路为了减少放大链路级数、降低器件数量，采用高增益的LDMOS功率管。其效率高，热性能卓越，可靠性高，增益为16 dB，输出功率为47.3 dBm。

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具体电路如图3所示。

图3 二级放大电路

一级放大电路输出的功率信号经过隔直电容C8后进入由微带线和电容C9、C10组成的输入匹配电路，经过功率管放大后通过由微带线和电容C15～C18组成的输出匹配电路，再经过隔直电容C19输出功率信号。供电电源提供2路50 V电压经过去耦滤波电路给功率管供电，另外一路经分压滤波后经过由稳压芯片IC1构成的稳压电路给功率管提供偏置电压，调节滑动变阻器RV1使得静态电流为50 mA，保证晶体管正常导通工作。

2.2.3 末级放大电路设计

末级放大电路是整个固态功率放大器的核心部分，其电路的设计和器件的选取直接决定了输出功率的大小以及整体模块的可靠性。通过对整体设计的分析以及相关资料的查阅，选择了LDMOS功放管，除了其高增益、高可靠性、优良的热性能以外，其在大功率输出时能够保证良好的线性增益，对于整体模块功率输出而言至关重要，具体电路如图4所示。

图4 末级放大电路

二级放大电路输出的功率信号经过隔直电容C1后，进入由同轴导线SR1、微带线和电容C6、C7组成的输入匹配电路，经过功率管放大，然后通过由微带线、电容C12～C31和同轴导线SR2组成的输出匹配电路输出功率信号。为达到1200 W高功率，采用2个输出功率为700 W的LDMOS放大器经过环形器再通过3 dB电桥合成输出，该3 dB电桥能够产生2路相位正交的信号，这种结构在2个放大器产生的信号发生失配时对放大器本身具有一定的保护作用。供电电源提供2路50 V电压经过去耦滤波电路给功率管供电，另一路经过由稳压二极管D1构成的稳压电路提供偏置电压，调节滑动变阻器RV1，使得静态电流为120 mA，保证晶体管正常导通工作。

2.3 控保电路

控保电路的设计是对功率放大器工作状态的监控，完成工作数据的采集并量化，提供完善的保护机制，具体采集的数据情况如图5所示。

图5 放大器详细状态界面

2.4 水冷板、电源

对于大功率输出，如何将热耗带走是整个放大器的设计重点，特别是末级功放的散热问题，仅靠外部腔体和铜板散热完全不够。采用水冷散热，根据整体尺寸设计水冷板，水冷板示意如图6所示。

图6 水冷板示意

电源设计采用3只电源并行输出给放大器供电，考虑冗余和可靠性，选用48 V/1.8 kW的开关电源，即使其中1个损坏，另外2个电源仍可输出3.6 kW，不影响放大器正常工作，电源采用推拉式结构，自带数字采样，方便集成、通信及快速维护。

3 功放测试

整个放大器的三级放大电路、控保电路、供电电源、环形器均放置于同一水平面，水冷板置于三级放大电路的下方，机箱选用标准的1.5U尺寸，功率放大器的信号传输介质采用比较宽的微带线，有利于散热；电路板选择同样散热比较快的介质板，经过调研采用罗杰斯RO 4350B高频板，厚度为0.762 mm。将末级功放电路板固定在高导热系数的紫铜金属铜板上，铜板尺寸为125.5 mm×60 mm×5 mm，铜板背面均匀涂抹导热硅脂并通过螺丝固定，紧贴在水冷板上。电源、水冷、射频输入输出、采样均采用标准接口置于机箱后方，前方设有信号状态显示LED指示灯，功率放大器的实物图如图7所示。

图7 功率放大器实物

功率放大器通过实际电路加工、电装完成后，必须通过对各级放大电路中输入输出匹配电路进行调试来实现放大器的性能。阻抗匹配不佳，会导致传输效率低、反射信号大、电路状态不稳定等问题出现，采取更改匹配电路中电容的大小与位置、改变微带线的尺寸等措施使得各项指标满足要求，调试完成后对功率放大器具体技术指标进行测试，测试平台原理如图8所示，实验室测试平台实物接线图如图9所示。

图8 测试平台原理

图9 实验室测试平台照片

射频信号源选用罗德施瓦茨的SMB100B来提供稳定可靠的微波小信号，频率1.3 GHz，带宽±5 MHz，经过功率放大器放大后，先经过双定向耦合器，耦合度为50.2 dB，再经过水负载将热量带走。选用中国电子科技集团公司第四十一研究所的2438PB功率计和是德科技的N9020A频谱仪，通过2个耦合口来测量输出功率的各参数指标，并且与目前国内L波段千瓦级功率放大器的通用技术指标进行对比，具体测试结果如表1所示。

通过表1中的测试数据可知，设计的L波频段功率放大器各项测试指标良好，其性能可以达到国内先进水平。对于末级功放电路选择两路大功率合成输出的方案，散热问题是很大的考验，通过长时间老练试验，证明功率放大器能够稳定可靠地工作，这不仅减少了整机体积，而且降低了制作成本。

表1 功率放大器测试结果

4 结论

针对目前L波段固态功率放大器的高功率、小体积、低成本要求，基于LDMOS功率管设计了一种支持连续波和脉冲两种工作方式的功率放大器，工作频率为1.3 GHz，带宽为±5 MHz，能够稳定输出功率1200 W，并选用标准的1.5 U机箱尺寸，减少电源连线，集成度高，电路设计简洁，有效解决了单管大功率输出的散热问题，同时降低了制作成本。通过对样机的测试，2种工作方式的结果表明各项参数均能够满足要求，目前已在实际工程项目中使用，各项技术指标正常，输出功率稳定，可靠性高。为使得功率放大器能够应用于更多领域，下一步将考虑以该功率放大器为单模块进行多路合成，研制更大功率输出、性能更好的固态功率放大器。