孟慶賢，席洪柱，方 航，王 亮，王 林，葉 鑫，詹 銳

（安徽華東光電技術(shù)研究所有限公司，安徽蕪湖 241000）

1 引言

微波功率放大器的作用是在信號與信息傳輸系統(tǒng)中，將發(fā)射端的信號進行放大再傳送[1]，主要分為真空和固態(tài)兩種形式[2]。真空器件轉(zhuǎn)換效率高，輸出功率一般可以達到上百瓦，但是使用壽命有限、可靠性差、占用體積較大[3]，由于其功率與效率的優(yōu)勢，目前仍廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。固態(tài)器件的輸出功率和效率相對于傳統(tǒng)的真空器件較低，但隨著LDMOS和GaN等技術(shù)的日益發(fā)展[4-5]，這些問題都逐步得到解決。此外，微波器件自身具有優(yōu)勢，如供電電壓低、使用壽命長、可靠性高、體積小等，而且可以利用功率合成技術(shù)，使用多個固態(tài)器件的并聯(lián)放置實現(xiàn)高功率輸出[2]。如今固態(tài)功率放大器已被廣泛應(yīng)用于加速器、微波加熱、微波干燥等領(lǐng)域[6-8]。

L波段固態(tài)功率放大器基于LDMOS和GaN器件進行研制，輸出功率完全可以達到真空器件的要求。文獻[9-10]選用LDMOS管研制L波段的固態(tài)功率放大器，效率和線性度良好，輸出功率分別為100 W和160 W。文獻[11-12]選用GaN功率器件研制L波段的固態(tài)功率放大器，效率高，輸出功率穩(wěn)定，輸出功率達100 W和137 W。文獻[13]研制了一款L波段高效GaN功率放大器，輸出功率達到400 W。目前在很多領(lǐng)域百瓦級別的功率輸出已經(jīng)無法滿足使用要求，千瓦級別甚至更大功率的L波段固態(tài)功率放大器應(yīng)運而生。同時，由于整機系統(tǒng)的集成度越來越高，各部分實現(xiàn)模塊化，固態(tài)功率放大器不僅需要穩(wěn)定輸出大功率，而且體積要小，方便操作。文獻[14]基于LDMOS管采用三級放大，對4個350 W放大模塊進行合成，研制出一臺L波段輸出功率為1000 W的固態(tài)功率放大器，但該樣機體積相對較大，集成度較低。文獻[15]基于自主研制的GaN器件，設(shè)計了一款L波段輸出功率為1100 W的固態(tài)功率放大器，但僅支持脈沖的工作方式，而且GaN器件的價格相對于LDMOS管要高。

本文針對目前L波段固態(tài)功率放大器的發(fā)展需求，設(shè)計了一種基于LDMOS管的L波段固態(tài)功率放大器，工作頻率為1.3 GHz，帶寬為±5 MHz，支持連續(xù)波和脈沖兩種工作方式。通過三級放大，均能實現(xiàn)1200 W的功率穩(wěn)定輸出，同時整機采用小型化設(shè)計、低成本制造，并且控制方便。通過對樣機的測試，結(jié)果表明該放大器具有輸出功率穩(wěn)定、體積小、成本低、相噪低、諧波抑制度高等優(yōu)點，還能作為單個放大模塊，通過多路合成達到更高功率的輸出，具有廣泛的適用性。

2 固態(tài)功放設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

本文提出的L波段固態(tài)功率放大器的原理框圖如圖1所示。

圖1 放大器原理

由圖1可知，固態(tài)功率放大器主要由增益調(diào)節(jié)電路、相位調(diào)節(jié)電路、一級放大電路、二級放大電路、末級放大電路、環(huán)行器、水冷板、供電電源與控保電路組成。射頻信號源提供微波小信號，首先經(jīng)過增益和相位調(diào)節(jié)電路，然后經(jīng)過一級、二級放大電路，放大后信號通過3 dB電橋一分二到末級放大電路，再通過3 dB電橋合成，最終輸出功率。供電電源給各級功放管及芯片提供工作電壓，環(huán)行器主要用于保護功率放大器，避免輸出不匹配導(dǎo)致反射功率過大燒毀功放管等器件，控保電路是對功率放大器的狀態(tài)進行檢測，并對異常狀態(tài)進行保護，水冷板置于所有器件下方，帶走發(fā)熱器件的熱耗。

2.2 放大電路設(shè)計

2.2.1 一級放大電路設(shè)計

一級放大電路主要為了提供足夠的增益，用來彌補增益調(diào)節(jié)電路和相位調(diào)節(jié)電路的增益損失，同時還要考慮大功率集成和小型化設(shè)計。本文采用一種塑封的LDMOS功放管，工作頻率可達到1400 MHz，效率高，熱穩(wěn)定性優(yōu)異，增益大于16 dB，輸出功率大于41.1 dBm，具體電路如圖2所示。

圖2 一級放大電路

微波小信號經(jīng)過由電感L1和電容C46、C47組成的輸入匹配電路，再通過隔直電容C1進入功率管進行放大，然后通過由電感L12和電容C44組成的輸出匹配電路，最后通過隔直電容C45輸出功率信號。供電電源50 V一路經(jīng)過去耦濾波電路給功率管提供工作電壓，另一路經(jīng)過由穩(wěn)壓二極管D1構(gòu)成的穩(wěn)壓電路提供偏置電壓，調(diào)節(jié)滑動變阻器RV3，使得靜態(tài)電流為80 mA，保證晶體管正常導(dǎo)通工作。

2.2.2 二級放大電路設(shè)計

二級放大電路為了減少放大鏈路級數(shù)、降低器件數(shù)量，采用高增益的LDMOS功率管。其效率高，熱性能卓越，可靠性高，增益為16 dB，輸出功率為47.3 dBm。

(1)為中小企業(yè)提供了新的融資手段。通過融資租賃能夠提高中小企業(yè)的技術(shù)水平。在對相關(guān)技術(shù)設(shè)備進行更新時，通過融資租賃，企業(yè)只需要付出一部分款項就能夠獲得使用固定資產(chǎn)的權(quán)利，在使用設(shè)備的過程中積累資本，從而提高自身的經(jīng)濟實力。對于那些技術(shù)發(fā)展水平比較高，且發(fā)展速度非?？斓钠髽I(yè)，同樣也可以采用融資租賃的方式，來減少因固定資產(chǎn)更新過快而引發(fā)的風(fēng)險。該種租賃方式比較靈活，方便，承租方可以根據(jù)自身發(fā)展的實際情況與融資租賃公司進行相互協(xié)調(diào)，從而簽訂相關(guān)協(xié)議，這樣能夠確保出租方不改變所有權(quán)，還能避開有關(guān)國家政策制度的限制。所以，融資租賃可以有效解決中小企業(yè)融資難的問題[4]。

具體電路如圖3所示。

圖3 二級放大電路

一級放大電路輸出的功率信號經(jīng)過隔直電容C8后進入由微帶線和電容C9、C10組成的輸入匹配電路，經(jīng)過功率管放大后通過由微帶線和電容C15～C18組成的輸出匹配電路，再經(jīng)過隔直電容C19輸出功率信號。供電電源提供2路50 V電壓經(jīng)過去耦濾波電路給功率管供電，另外一路經(jīng)分壓濾波后經(jīng)過由穩(wěn)壓芯片IC1構(gòu)成的穩(wěn)壓電路給功率管提供偏置電壓，調(diào)節(jié)滑動變阻器RV1使得靜態(tài)電流為50 mA，保證晶體管正常導(dǎo)通工作。

2.2.3 末級放大電路設(shè)計

末級放大電路是整個固態(tài)功率放大器的核心部分，其電路的設(shè)計和器件的選取直接決定了輸出功率的大小以及整體模塊的可靠性。通過對整體設(shè)計的分析以及相關(guān)資料的查閱，選擇了LDMOS功放管，除了其高增益、高可靠性、優(yōu)良的熱性能以外，其在大功率輸出時能夠保證良好的線性增益，對于整體模塊功率輸出而言至關(guān)重要，具體電路如圖4所示。

圖4 末級放大電路

二級放大電路輸出的功率信號經(jīng)過隔直電容C1后，進入由同軸導(dǎo)線SR1、微帶線和電容C6、C7組成的輸入匹配電路，經(jīng)過功率管放大，然后通過由微帶線、電容C12～C31和同軸導(dǎo)線SR2組成的輸出匹配電路輸出功率信號。為達到1200 W高功率，采用2個輸出功率為700 W的LDMOS放大器經(jīng)過環(huán)形器再通過3 dB電橋合成輸出，該3 dB電橋能夠產(chǎn)生2路相位正交的信號，這種結(jié)構(gòu)在2個放大器產(chǎn)生的信號發(fā)生失配時對放大器本身具有一定的保護作用。供電電源提供2路50 V電壓經(jīng)過去耦濾波電路給功率管供電，另一路經(jīng)過由穩(wěn)壓二極管D1構(gòu)成的穩(wěn)壓電路提供偏置電壓，調(diào)節(jié)滑動變阻器RV1，使得靜態(tài)電流為120 mA，保證晶體管正常導(dǎo)通工作。

2.3 控保電路

控保電路的設(shè)計是對功率放大器工作狀態(tài)的監(jiān)控，完成工作數(shù)據(jù)的采集并量化，提供完善的保護機制，具體采集的數(shù)據(jù)情況如圖5所示。

圖5 放大器詳細狀態(tài)界面

2.4 水冷板、電源

對于大功率輸出，如何將熱耗帶走是整個放大器的設(shè)計重點，特別是末級功放的散熱問題，僅靠外部腔體和銅板散熱完全不夠。采用水冷散熱，根據(jù)整體尺寸設(shè)計水冷板，水冷板示意如圖6所示。

圖6 水冷板示意

電源設(shè)計采用3只電源并行輸出給放大器供電，考慮冗余和可靠性，選用48 V/1.8 kW的開關(guān)電源，即使其中1個損壞，另外2個電源仍可輸出3.6 kW，不影響放大器正常工作，電源采用推拉式結(jié)構(gòu)，自帶數(shù)字采樣，方便集成、通信及快速維護。

3 功放測試

整個放大器的三級放大電路、控保電路、供電電源、環(huán)形器均放置于同一水平面，水冷板置于三級放大電路的下方，機箱選用標準的1.5U尺寸，功率放大器的信號傳輸介質(zhì)采用比較寬的微帶線，有利于散熱；電路板選擇同樣散熱比較快的介質(zhì)板，經(jīng)過調(diào)研采用羅杰斯RO 4350B高頻板，厚度為0.762 mm。將末級功放電路板固定在高導(dǎo)熱系數(shù)的紫銅金屬銅板上，銅板尺寸為125.5 mm×60 mm×5 mm，銅板背面均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂并通過螺絲固定，緊貼在水冷板上。電源、水冷、射頻輸入輸出、采樣均采用標準接口置于機箱后方，前方設(shè)有信號狀態(tài)顯示LED指示燈，功率放大器的實物圖如圖7所示。

圖7 功率放大器實物

功率放大器通過實際電路加工、電裝完成后，必須通過對各級放大電路中輸入輸出匹配電路進行調(diào)試來實現(xiàn)放大器的性能。阻抗匹配不佳，會導(dǎo)致傳輸效率低、反射信號大、電路狀態(tài)不穩(wěn)定等問題出現(xiàn)，采取更改匹配電路中電容的大小與位置、改變微帶線的尺寸等措施使得各項指標滿足要求，調(diào)試完成后對功率放大器具體技術(shù)指標進行測試，測試平臺原理如圖8所示，實驗室測試平臺實物接線圖如圖9所示。

圖8 測試平臺原理

圖9 實驗室測試平臺照片

射頻信號源選用羅德施瓦茨的SMB100B來提供穩(wěn)定可靠的微波小信號，頻率1.3 GHz，帶寬±5 MHz，經(jīng)過功率放大器放大后，先經(jīng)過雙定向耦合器，耦合度為50.2 dB，再經(jīng)過水負載將熱量帶走。選用中國電子科技集團公司第四十一研究所的2438PB功率計和是德科技的N9020A頻譜儀，通過2個耦合口來測量輸出功率的各參數(shù)指標，并且與目前國內(nèi)L波段千瓦級功率放大器的通用技術(shù)指標進行對比，具體測試結(jié)果如表1所示。

通過表1中的測試數(shù)據(jù)可知，設(shè)計的L波頻段功率放大器各項測試指標良好，其性能可以達到國內(nèi)先進水平。對于末級功放電路選擇兩路大功率合成輸出的方案，散熱問題是很大的考驗，通過長時間老練試驗，證明功率放大器能夠穩(wěn)定可靠地工作，這不僅減少了整機體積，而且降低了制作成本。

表1 功率放大器測試結(jié)果

4 結(jié)論

針對目前L波段固態(tài)功率放大器的高功率、小體積、低成本要求，基于LDMOS功率管設(shè)計了一種支持連續(xù)波和脈沖兩種工作方式的功率放大器，工作頻率為1.3 GHz，帶寬為±5 MHz，能夠穩(wěn)定輸出功率1200 W，并選用標準的1.5 U機箱尺寸，減少電源連線，集成度高，電路設(shè)計簡潔，有效解決了單管大功率輸出的散熱問題，同時降低了制作成本。通過對樣機的測試，2種工作方式的結(jié)果表明各項參數(shù)均能夠滿足要求，目前已在實際工程項目中使用，各項技術(shù)指標正常，輸出功率穩(wěn)定，可靠性高。為使得功率放大器能夠應(yīng)用于更多領(lǐng)域，下一步將考慮以該功率放大器為單模塊進行多路合成，研制更大功率輸出、性能更好的固態(tài)功率放大器。