S波段超宽带固态功率放大器的研制

摘要: 本文结合一款新研制的S波段超宽带固态功率放大器,介绍了超宽带固态功率放大器的设计理论和方法,根据砷化镓场效应晶体管的小信号S参数和I2V曲线,用微波仿真软件对功率管的输入、输出阻抗匹配电路及其偏置电路进行优化仿真设计。通过制作并测试此放大器,验证了该设计方法的可行性。最后,给出了测试数据,它在2GHz～4GHz的频带范围内,输入功率为40mW时,输出功率大于20W,带内功率起伏小于1.5dB。

关键词: 　超宽带, 固态功率放大器, 平衡放大器

引　言

微波固态功率放大器在雷达和电子对抗等领域有着广泛的应用,随着雷达技术发展,对固态放大器提出了更高的输出功率和更大瞬时带宽的要求。实现超宽带放大器的常用电路形式主要有以下几种:
(1)分布放大器,在这种形式中,级联多个带串联电感的FET,可在多倍频程内获得良好性能,但需要很多小型FET,研制过程中工艺复杂,调试困难;
(2)负反馈放大器,在FET的漏极和栅极之间加介入一个串联的RL反馈,这种形式改善了输入输出匹配,并通过降低低频增益改善了稳定度,可在多倍频程内获得良好性能,但在大功率应用时,反馈用的任意阻值的功率电阻不易得到;
(3)平衡放大器,平衡放大器由两个宽带3dB 耦合器和接于其间的两个放大器组成,输入的3dB 耦合器起功率分配作用,将输入信号分成相位差90°的两个信号送给两个放大器,输出的3dB耦合器起功率合成作用,将两个相位差90°合成输出。

与前两种电路相比,平衡放大器电路有许多优点,由于输入、输出的3dB 电桥由于两路输入信号相位差90°,当两路反射型的放大器接于其间时,反射功率相互抵消,从而保证功放模块具有低的输入、输出驻波系数,使得各个功放模块之间不用加隔离器就能方便的联接起来,平衡放大器的输出功率比单管输出功率增加3dB。另外,由于目前能够实现超宽带工作的功率器件的输出功率有限,要实现大功率输出,只能采用多管合成的方式实现,因此,本文介绍的超宽带固态功率放大器采用平衡电路结构形式,它在2GHz～4GHz的频带范围内,输入功率为40mW时,输出功率大于20W ,带内功率起伏小于1.5dB。

1　超宽带固态放大器的组成和工作原理

本超宽带固态功率放大器由三级放大电路组成,主要组成框图和各级增益分配如图1所示。前两级都采用平衡放大器电路结构,由输入、输出3dB电桥和接于其间的两个单端放大器构成,输入功率经过3dB电桥分两路加至两个放大器,经放大后再由3dB电桥组合起来输出。第三级由四个和第二级一样的功放模块合成得到。1/4功率分配器和4/1功率合成器分别由三个3dB电桥组成。


图1　S波段超宽带固态功率放大器组成框图及增益分配
　
来自频率源约16dBm的射频激励信号经第一级的2W功放模块放大后输出大于2W,再经第二级8W功放模块放大输出大于8W,经1/4功率分配器分别激励4个8W功放模块,最后经4/1功率合成器合成,输出大于20W。

2　电路设计

本放大器全部采用模块化设计,主要的设计内容有2W功放模块、8W功放模块、3dB电桥的设计,下面分别给予介绍。

2. 1　2W 功放模块的设计
2W功放模块的输入功率为16dBm,输出功率要求大于2W,采用平衡放大器电路结构,由输入、输出3dB电桥和接于两者之间的两个放大器组成。为了减少体积、简化电路,放大器采用泰科电子(Tyco Electronics)旗下M/A-COM公司的MM IC单片,其增益大于18dB,饱和输出功率大于1W,已经匹配到50Ω。

2. 2　8W 功放模块的设计
8W功放模块的输入功率为2W,其饱和输出功率大于8W,增益≥6 dB。目前,在S波段适合超宽带应用的功率管只有砷化镓场效应功率晶体管,且输出功率较低,现采用富士通的功率管FLL57MK,其输出功率大于4W,带内增益大于7dB。8W功放模块同样采用平衡放大器电路结构,由输入、输出3dB电桥和接于两者之间的两个单管放大器组成。因此, 8W功放模块的设计重点是FLL57MK单管放大器的设计。

功率放大器的设计与小信号放大器的设计不同,其设计要复杂的多,小信号放大器的设计一般不考虑输出功率,而主要考虑增益和稳定性,在保证稳定的前提下,按最大增益设计,而如果按照常规的小信号S参数法,采用最大增益来设计功率放大器时,输出功率基本很小,甚至起衰减,因此设计功率放大器完全不同于小信号放大器的设计,其输出电路首先要满足高的集电极效率和足够的饱和输出功率,要在输出功率和增益之间取一合适值,将同时满足功率输出和增益要求的输出负载作为功率管的输出阻抗精心设计。输出阻抗由几部分组成:大信号负载线阻抗R_L 、漏源间的电容C_DS、封装寄生参数L_S和R_S,如图2所示。

图2　功率管输出等效电路

R_L可利用器件的静态I-V曲线确定,设功率管的要求输出功率为P_o,工作电压为V_b,饱和压降为V_s, 则R_L= (V_b-Vs )²/2P_o;封装寄生参数可通过用HP/EESOF ADS仿真功率管模型的电原理图,调整模型的S参数,使之无限接近器件的小信号S参数来得到; C_DS根据功率管的总栅宽得到,一般为0.1pF/mm。按得到的此阻抗设计输出匹配电路,输出匹配电路采用共扼匹配,以最大限度发挥功率管的输出功率能力,使放大器在整个频带范围内都能等功率输出,再根据S参数,按增益平坦性要求优化设计输入匹配电路,由于功率管的增益随频率升高而下降, 且每个每倍频程, 增益下降约6dB,因此,输入匹配电路要采用衰减—频率特性具有一定斜率的网络,使匹配网络在频率降低时产生失配,而且由失配产生的衰减要近似按每倍频程6dB的规律增大,从而抵消功率管增益变化的影响,保证放大器功率增益的平坦性和输出功率的带内起伏小。制作出电路后, 进一步调整优化输入输出匹配电路。以上过程均可利用微波CAD软件来完成。

为确保场效应晶体管的工作状态,必须设计相应的偏置电路,从而把直流或控制电压通过偏置电路加在晶体管各电极上。设计时必须使其对射频主电路的微波特性影响尽可能小,即不应引入大的附加损耗、反射以及高频能量沿偏压电路的漏泄,常规的偏置电路一般采用长度为λ_g1/4的高阻线作射频扼流圈和长度为λ_g2/4的低阻线作为高频旁路。此电路形式在窄带工作时,基本能满足要求,但在宽带,特别是带宽达到一个倍频程以上时,就无法满足要求,在本设计中,采用1/4波长高阻线和1/4波长扇形阵电路相结合的方法,利用微波CAD软件对偏置电路进行优化,优化目标保证其对射频主电路的微波特性影响尽可能小。

2. 3　3dB电桥的设计
3dB电桥的实现方式有多种,如: 宽边耦合带线、Lange耦合器、环形电桥等。我们使用的是多级宽边耦合带线的形式,先设计一个三节最大平坦定向耦合器,耦合度为8.34dB,然后将两个8.34dB的定向耦合器级联, 得到3dB电桥其带内插损≤0.5dB,隔离度大于20dB,两个端口相位差90°。采用微波CAD软件对其进行仿真优化设计,优化结果见图3。

图3　3dB电桥仿真优化结果
　

3　实验结果

根据上述的方法,我们设计制作了一个超宽带放大器,在输入功率为6dBm的连续波信号、工作电压为10V时,对放大器进行指标测试,经测试,带内输出功率均大于20W,带内起伏也小于1.5dB,效率基本大于20% ,测试结果证明了该超宽带固态功率放大器的设计理论和方法是可行的。其性能测试指标见图4。

图4　放大器输出功率、效率曲线
　
4　结束语

本放大器全部采用了模块化设计,最大的功放模块输出功率达到8W,可根据不同的需要,合成出更高功率量级的功放组件,放大器和它所用的各种功放模块既可以连续波应用也可以脉冲工作,既可作为独立的放大器,也可作为雷达功放组件的基本放大单元。在雷达、电子对抗等领域有着广泛的应用前景。