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C波段固态功率放大器的分析与研究

范文

王秀军

摘要：文章首先简要介绍了C波段固态功率放大器，在此基础上对C波段固态功率放大器的设计进行论述。期望本文的研究能够对C波段固态功率放大器的推广应用有所帮助。

关键词：C波段；功率放大器；晶体管

1 C波段固态功率放大器简介

C波段是一个频率介乎于4.0～8.0 GHz的频带，是通信卫星下行传输信号的频段。由于在阴雨天气中，C波段不会出现雨衰现象，故此，其在卫星电视广播中得到了广泛应用。固态功率放大器的工作原理如下：其是由调制机或收信机传送过来的中频已调信号，经过发信机中频放大器后，送至发信混频器，再经过发混频，将中频已调信号转变为微波已调信号，由单向器去除混频后的一个边带，既可以是上边带，也可以是下边带，最后由功率放大器将微波已调信号放大至额定电平，经分路滤波器传送给天线。放大器的工作类型主要取决于其性能，不同的工作地点决定了放大器的不同工作状态，具体可分为3类：（1）A类，在这种工作状态下，放大器处于零輸入响应时，仍会存在一定程度的功率消耗，从而使其效率偏低，约为实际工作时的30%，甚至更低。（2）B类，信号为半周期导通，从理论的角度上讲，其效率能够达到70%左右，可借助推挽电路提高输出功率，随着该电路的加入，放大器可在较大的线性范围内保持稳定的运行状态。（3）C类，功率增益低是其最为主要的特点，在零输入响应状态下，放大器为非导通状态。C类是3种类型中效率最高的一类[1]。

2 C波段固态功率放大器的设计

2.1 技术指标

按照放大器的使用环境与具体用途，本次需要设计两种不同功率的放大器，关键性技术指标如表1所示。

2.2 器件的选择

为使设计出来的放大器能够用于雷达发射机，所选的晶体管应当能够在特定频率上保持高效的工作状态，并提供一定的功率增益和散热的特性，从而确保放大器的运行可靠性。然而，目前并没有一种晶体管可以普遍适用，在全固态发射机中常用的微波功率晶体管有两类：（1）硅微波双极晶体管。（2）GaAs场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）。在GaAs中，电子的运动速度约为硅材料的两倍，由此使其能够在毫米波频率上工作。不仅如此，GaAs可与无源电路进行集成，这一点对于放大器的设计至关重要。按照本次的设计要求，将GaAs MESFET作为首选器件，其归属于A类的范畴，因此只需要加直流电源便可使其处于连续波的工作状态，由此可以满足不同脉冲形式的应用需要。在此需要阐明的一点是，若是功率器件处于连续波的工作条件，会对电源功率造成耗费，而采用GaAs进行供电，可以提高效率。因本次设计选择了内匹配晶体管，所以不需要输入和输出匹配电路设计，从而使电路设计得以简化。在对阻抗50 Ω线的设计中，需要对如下两点加以注意：（1）由于该线上并不存在功率敏感点，故此不需要优化。（2）为与隔离器的尺寸进行配合，阻抗50 Ω线尽可能不要拐弯，这样可以避免天线效应的产生[2]。

2.3 功率放大器的构成

本次设计中，30 W的放大器采用的冷却方式为风冷，300 W为水冷，均为全固态体制，通过高功率合成技术，可将多个功率放大器进行外部合成，由此便可组成不同功率电平的发射机。

2.4 偏置电路设计

在放大器设计中，一些设计人员在解决稳定性和频谱方面常常会耗费大量的时间，导致这一问题的主要原因是偏置电路设计得不好。鉴于本次设计中选用的GaAs FET采用栅极电压对漏极电流进行控制，如果跨导越大，栅极偏压对漏极电流的影响就越大，在这一前提，产生自激的可能性也会随之增大，因此，偏置电路设计质量优劣直接关系到功率放大器的性能好坏。在该电路的设计中，主要包括两个方面，一方面是栅极偏置电路，另一方面是漏极馈电电路。

2.4.1 栅极偏置电路

在该电路的设计中，栅极电阻的取值是关键环节，若是取值不当，会对功率放大器的工作稳定性造成影响。由于这个电阻可能并不是直接与器件栅极相连接的电阻，加之每个器件的栅极电阻均有所不同，有些器件可以通过厂家的产品说明书查到，对于无法查到的栅极电阻，则可用下式进行计算：

栅极电阻=400/Psat （1）

在上述当中，栅极电阻的单位是Ω，Psat代表器件的饱和输出功率，单位：W。该公式可对工作电压Vds为9～12 V的器件所需的栅极电阻进行计算。

2.4.2 漏极馈电电路

当该电路作为匹配电路的一部分时，假设其阻抗为低损耗，其均为器件提供偏置，那么该电路的特性阻抗则为无穷大。为使功率放大的运行稳定性得到进一步提升，可在该电路中引入一个去耦电容和有耗元件。同时，为减小馈电电路的直流压降，微带线的宽度应越宽越好，且阻抗应与放大器的工作带宽匹配。如果选用1/4波长低阻开路时，由于输入阻抗在工作频率上为零，所以可以少设置一个电容。在设计时，需要注意的一点是，漏极偏置电路域匹配电路之间的连接点应与晶体管的漏极靠得越近越好，这样能够使放大器的效率获得提升。

2.4.3 偏置电路设计

在本次设计中，30 W放大器选用的是微波介质板，其基片厚度为0.508×10-3 m，导热系数为0.20 W，板的导体厚度为3.5×10-5 m，该放大器中最大功率的末级GaAs高阻微带线的平均电流为1.8 A。经过计算，在30 W放大器中，选用线宽为0.5 mm的高阻线不会烧断，但是为预留出一部分设计余量，最终决定选用0.6 mm的线宽。300 W放大器，因其末级管的高阻微带线平均电流为3 A，所以高阻线的线宽选用0.9 mm[3]。

2.5 电源调制电路

为确保电源在没有激励信号时，电流处于较低的状态，需要对电源进行调制，以此来提高功率放大器的效率。目前，比较常用的电源调制方法有两种：一种是栅极调制，另一种是漏极调制。

2.5.1 栅极调制

这种调制方法具体是指栅极电压保持在﹣1.3～﹣3 V之间变化，漏极电压保持不变，这样可以使GaAs实现C类工作方式，由此能够使工作效率获得大幅度提升。

2.5.2 漏极调制

这种调制方法是在保持GaAs栅极电压不变的前提下，对漏极电压进行调制，并保证在无栅极电压的前提下，漏压无法加到功率管上。经过对比之后，本次设计决定采用漏极调制作为电源的调制方式。

2.6 隔直电路

该单路的主要作用是将加到放大器功率管上的直流电源与输入输出端口隔离开。通常情况下，处于输出电路当中的隔直元件应当具备如下特性：低损耗、高功率，同时，对应不同的频率应采用不同类型的隔直元件。在微波段上，在对多层电容进行焊接时，会因为焊点的影响，导致插损过大，为使这部分损耗有所减小，可在设计时，选用单层陶瓷电容。

2.7 功率合成器

在C波段的范围内，如果想要达到300 W的输出功率，放大器需要采用8管合成的设计方式，但是，由于连续波会产生一定的损耗，并且这部分损耗会对微带线的耐功率造成影响。因此，在本次设计中，采用了如下设计方法：先分4路微带合成，然后借助波导同轴合成器进行合成。

2.8 匹配电路设计

该电路最为重要的作用是对功率管的输出和输入阻抗进行统一，使其达到50 Ω电阻值要求。通常情况下，功率管在封装时会完成一定的匹配处理，但这个处理程度却无法满足实际的设计开发需要。所以应对匹配电路的设计予以重视。对于匹配电路而言，其应当在线性度等方面有比较出色的表现，这就要求设计人员在设计的过程中，应当有侧重点。最为简单的匹配方式为L形匹配网络，其在设计时只需要使用一种电抗元件，正因如此，匹配电路整体配置变得更加简单，同时，这种匹配形式的电路种类多达8种。按照滤波的特性差异，可将L形匹配网络分为高通滤波和低通滤波两种结构类型，若是带有外存谐波，后级滤波器能够对谐波起到有效的抑制作用。在工频提升和工作波长减少的前提条件下，分立元件的寄生参数将会随之获得大幅度提升，由此会对系统的性能造成一定程度的影响，对此，可以在匹配电路设计中，对分布参数的微带线结构进行合理应用。

2.9 放大器的电磁兼容设计

在本次设计中，功率放大器外壳的材质为铝合金，上下兩层结构，其中上层安装的是低频电路，下层安装的是射频放大电路腔体，这样两种不同类型的电路之间可以得到有效的隔离，从而避免了相互之间的电磁干扰[4]。

3 结语

综上所述，C波段固态功率放大器是一类较为复杂的器件，其中所涉及的技术较多，为使该器件的功能和作用得以最大限度地发挥，应当了解并掌握其基本特性，并在设计的过程中，对相关电路的设计予以重视，从而使之满足实际应用需要。在未来一段时期，应加大对C波段固态功率放大器相关方面的研究力度，从而使其能够在更多领域中得到越来越广泛的应用。

[参考文献]

[1]薛羽，吴鹏，刘刚.固态功率放大器模块自动化生产研究[J].电子机械工程，2016（6）：78-79.

[2]于洋.微波固态功率放大器脉冲调制技术的研究[J].甘肃科技，2016（7）：67-68.

[3]杨作成，李楠，孟旭东.Ku波段波导内空间功率合成功率放大器[J].通讯世界，2015（1）：23-24.

[4]梁勤金，梁璐，陈世韬，等.C波段GaN固态功放及其功率合成器研制[J].现代雷达，2013（11）：142-143.

Abstract：In this paper， the C-band solid state power amplifier is briefly introduced. Based on this， the design of C-band solid state power amplifier is discussed. It is hoped that the research in this paper can be helpful for the popularization and application of C-band solid state power amplifier.

Key words：C-band； power amplifier； transistor

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