X波段30W固态功率放大模块的设计

程光伟+闫燕勤

收稿日期：2014-07-14

作者简介：程光伟（1957—），男，辽宁本溪人，副教授，硕士，研究方现：通信与电子信息。

通讯联系人，E-mail：986754337@qq.com

文章编号：1003-6199（2014）03-0069-04

摘 要：微波功率放大器的应用范围广，在雷达、导航、通信、卫星地面收发站、电子对抗仪器设备中不可或缺。介绍一个X波段固态功率放大器模块的设计过程，通过ADS射频仿真软件根据S参数对微波固态功放模块的偏置隔直电路以及匹配电路进行设计优化，功率放大器经过级联、功率分配合成，达到设计的指标要求。

关键词：微波功率放大器；X波段；偏置；匹配；功率合成

中图分类号：TN722.7 文献标识码：A

Design for 30W X-band Solid State Power Amplifier Module

CHENG Guang-wei，YAN Yan-qin

（School of Electronic Information Engineering， Xian Technological University，Xian， Shanxi 710032，China）

Abstract：Microwave power amplifier is widely used and indispensable in radar， navigation， communications， satellite earth station， electronic warfare equipment . Introduce a x-band solid-state power amplifier module design process. Through the RF simulation software ADS according to the S parameters of microwave solid state power amplifier module design and optimize bias blocking circuit and matching circuit， power amplifier through synthesis of cascade， power allocation， meet the requirements of design index.

Key words：Microwave power amplifier； X-band； Bias ；Match； Power combiner

1 引 言

随着无线电技术的广泛应用和发展，无线电频率资源被不断地开发利用，低频段资源匮乏的情况已经逐渐表现出来。相对而言，高频段资源有着低频段资源无法比拟和实现的优点，所以开发高频段资源有着重要的现实意义。X 波段是频率在 8～12 GHz电磁波，具有反射率强、波长短的特点，因此，X 波段的雷达在军事和特殊用途上得到了很好的应用，功率放大器作为雷达的关键部件，其功率大小、各项性能指标的好坏，直接影响到雷达的工作性能。

微波固态放大器比电真空功率放大器有显著的优点，包括使用平均寿命长，可靠性高，工作电压相对低，操作安全， 结构简单，体积小，故障软化等。基于这样显著的优点，近年来越来越受到雷达发射机研制者和用户的青睐。

文中设计的固态功放模块，先经过第一级功率放大器后进行功率分配，输出的四路推动第二级的功率放大器，最后经过四路合成输出。本文设计目标为输入9.3GHz～9.4GHz已调制低功率发射信号和功放预热脉冲，输出为高功率（30W）发射信号。其技术指标为：输入频率范围：9.3GHz～9.4GHz；输入脉冲功率：15dBm±3dBm；输出脉冲功率：≥30W；增益平坦度：±1dB；输入/输出驻波比：≤1.3。

2 器件选择和基材的选择

2.1 器件的选择

目前，由于国内功率放大器生产能力、技术水平、工艺水平限制，我们所能选取的器件均来自国外公司，主要有TriQuint、Hittite、Cree、Freescale 等公司的产品。在选择好设计方案以后，我们需要根据设计方案进行器件选择，考虑到实际的性能指标需求，以及器件的使用寿命、禁运、价格等因素，经过一系列筛选，我们选择的功率管是Hittite 公司的器件。

第一级采用 HMC478LP5

输出功率： Pout=2W；增益： Gain=20dB ；带宽：：9 -12GHz；匹配阻抗 Zin/Zout=50Ω

第二级采用 HMC7149

输出功率： Pout=10W；增益： Gain=20dB ；带宽： 6 -18GHz；匹配阻抗 Zin/Zout=50Ω

2.2 基材的选择

选择基材是我们设计过程当中需要早期考虑的，选择好基材在后面的微带线设计的时候直接可以使用，使我们的设计变得更加可靠，同时节省资金时间。

板材选择主要考虑的因素主要为一下几个方面：1）相对介电常数；2）能够使用的环境；3）损耗正切；4）厚度；5）成本。

本文设计中选用的板材是Duroid5880，为Rogers公司的板材。

表1 板材参数

如图1所示，本次设计方案的器件和板材都选定了以后，我们根据放大器级联设计的思路，可以论证每一级的最大输出功率。如式（1）、（2）分别是对功放模块的增益论证和功率论证。

Gain=20dB+20dB=40dB>30dB（1）

Pout=Psat=45dBm （2）

正如式（1）、（2）中所示，在放大器每一级推动中，第一级输出功率最大为 33dBm，增益为 20dB，当输入为 13dBm，既可以达到最大输出功率，即对于HMC478LP5放大器管子而言，只要输入达到13dBm，即可以达到最大输出功率 2W（33 dBm），同理，对于 HMC7149 而言，输入功率为20dBm 就可以达到最大输出功率10W（40 dBm）。那么功率放大器每一级都推饱和的情况下，都能使功率达到最大输出功率。

第一级15 dBm经过第一级功放达到2W（33 dBm），进行1/4功率分配器输出每一路理想0.5W（26.8dBm），足可以推动下一级的功放，使其达到输出10W（40 dBm）。经过四路合成达到46 dBm的理论值，能够达到设计要求的30W（45dBm）。

3.1 稳定性分析

微波功率放大器设计的首要任务就是考虑功率晶体管的稳定性，其工作参数一定要低于最大额定参数，包括最大额定漏极电压、最大额定栅极电压、最大额定功耗、允许工作温度和最大结温等，使放大器在工作频段内能够保持稳定。如果不稳定可能导致寄生振荡，不仅使放大器的输出信号失真影响，而且在振荡过激会烧毁放大管。由仿真设计可以知道，所选器件是绝对稳定，设计中不需要专门再对器件稳定性进行设计，只需要在偏置匹配设计中保持电路的稳定即可。

3.2 偏置保护电路的设计

偏置隔直电路在于射频功率放大器电路设计当中占有非常重要的地位，一个好的偏置、耦合电路能够很好地提供稳定的电压，设定好合适工作点，能够很好地提高功率放大器的效率。

偏置电路设计当中，我们需要关注的问题在于高频扼流圈（RFC）的设计。高频扼流圈的主要作用在于，它对于高频信号起到遏制作用，对于高频信号呈现高阻抗特性，因此，RFC 的设计我们一般采用 1/4λ高阻抗线来代替电感，用扇形电容来代替集总电容元件接地。

偏置隔直电路的设计如图2所示：

3.3 匹配电路的设计

让微波电路和系统无反射、在行波或者尽量接近行波状态的技术措施就是阻抗匹配。对于任何一个微波功率放大器设计，没有很好阻抗匹配会使电路不稳定，也会使电路效率降低和非线性失真增大。所以微波电路和系统的设计中，无论是有源还是无源网络，阻抗匹配问题都是必须要考虑的。在设计功率放大器匹配电路时，匹配电路应同时满足阻抗匹配、小驻波比、谐波衰减、线性及实际尺寸、工作的带宽等多项要求。

本文虽然选择的器件是内匹配的，但是经过仿真之后发现匹配并不能达到我们的要求，所以需要进一步的设计输入输出匹配。

第一级功率放大器的输如输出匹配设计模型和仿真结果如图3和图4所示。

从图中可以看出S11<-20dB，增益能达到20dB，驻波比VSWR1<1.3，所以匹配电路的设计符合设计的指标。

3.4 功率放大模块整体的设计

将功率放大器建模，第一级、功分器、第二级、功率合成器整体联合仿真，仿真模型和仿真结果如图5所示。

根据仿真结果可以得知，功率放大模块符合设计指标，在9.3GHz～9.4GHz频段输出功率可以达到要求，各项传输系数和反射系数符合要求。

4 总 结

本文结合微波功率放大器的设计流程，根据设计的技术指标，选用的是砷化镓（GaAs）和（GaN）材料的器件，采用多路功率组件合成的形式设计出有一个X波固态功率放大模块，能够在要求的9.3～9.4GHz的频段内，实现输入15dBm脉冲波，输出波功率达到30W，增益30dB，驻波比<1.3。

参考文献

[1] 袁孝康，王仕踏，朱俊达.微带功率晶体管放大器[M].北京：人民邮电出版社，1982.

[2] 言华. 微波固态电路[M]. 北京理工大学出版社，1995.

[3] 赫崇骏，韩永宁，袁乃昌等. 微波电路[M]. 国防科技大学出版社，1999.

[4] Vineeni，J.B.A .16 W solid state MMIC X-band amplifier for TWT replacement[J]. IEEE， 1996，2：749-752.

[5] Nai-shuo Cheng，Thal-PhuongDao.A 60-watt X-band spatially eombined solid-state amplifier[J] .IEEE MTT-S，1999，2：539-542.

[6] Zhu Jun，et， al. X-band T/R module based on GaN MMICs power amplifier[J]. APSAR，2011：1-4.

[7] 蒋庐俊.X波段固态功率放大器的研究[D].成都：电子科技大学，2011.

[8] 蒋拥军.X波段大功率固态放大器设计技术研究[D].南京：南京理工大学，2006.

[9] 张 亮.X波段脉冲功率放大器的设计与实现[D].上海：上海交通大学，2009.

正如式（1）、（2）中所示，在放大器每一级推动中，第一级输出功率最大为 33dBm，增益为 20dB，当输入为 13dBm，既可以达到最大输出功率，即对于HMC478LP5放大器管子而言，只要输入达到13dBm，即可以达到最大输出功率 2W（33 dBm），同理，对于 HMC7149 而言，输入功率为20dBm 就可以达到最大输出功率10W（40 dBm）。那么功率放大器每一级都推饱和的情况下，都能使功率达到最大输出功率。

第一级15 dBm经过第一级功放达到2W（33 dBm），进行1/4功率分配器输出每一路理想0.5W（26.8dBm），足可以推动下一级的功放，使其达到输出10W（40 dBm）。经过四路合成达到46 dBm的理论值，能够达到设计要求的30W（45dBm）。

3.1 稳定性分析

微波功率放大器设计的首要任务就是考虑功率晶体管的稳定性，其工作参数一定要低于最大额定参数，包括最大额定漏极电压、最大额定栅极电压、最大额定功耗、允许工作温度和最大结温等，使放大器在工作频段内能够保持稳定。如果不稳定可能导致寄生振荡，不仅使放大器的输出信号失真影响，而且在振荡过激会烧毁放大管。由仿真设计可以知道，所选器件是绝对稳定，设计中不需要专门再对器件稳定性进行设计，只需要在偏置匹配设计中保持电路的稳定即可。

3.2 偏置保护电路的设计

偏置隔直电路在于射频功率放大器电路设计当中占有非常重要的地位，一个好的偏置、耦合电路能够很好地提供稳定的电压，设定好合适工作点，能够很好地提高功率放大器的效率。

偏置电路设计当中，我们需要关注的问题在于高频扼流圈（RFC）的设计。高频扼流圈的主要作用在于，它对于高频信号起到遏制作用，对于高频信号呈现高阻抗特性，因此，RFC 的设计我们一般采用 1/4λ高阻抗线来代替电感，用扇形电容来代替集总电容元件接地。

偏置隔直电路的设计如图2所示：

3.3 匹配电路的设计

让微波电路和系统无反射、在行波或者尽量接近行波状态的技术措施就是阻抗匹配。对于任何一个微波功率放大器设计，没有很好阻抗匹配会使电路不稳定，也会使电路效率降低和非线性失真增大。所以微波电路和系统的设计中，无论是有源还是无源网络，阻抗匹配问题都是必须要考虑的。在设计功率放大器匹配电路时，匹配电路应同时满足阻抗匹配、小驻波比、谐波衰减、线性及实际尺寸、工作的带宽等多项要求。

本文虽然选择的器件是内匹配的，但是经过仿真之后发现匹配并不能达到我们的要求，所以需要进一步的设计输入输出匹配。

第一级功率放大器的输如输出匹配设计模型和仿真结果如图3和图4所示。

从图中可以看出S11<-20dB，增益能达到20dB，驻波比VSWR1<1.3，所以匹配电路的设计符合设计的指标。

3.4 功率放大模块整体的设计

将功率放大器建模，第一级、功分器、第二级、功率合成器整体联合仿真，仿真模型和仿真结果如图5所示。

根据仿真结果可以得知，功率放大模块符合设计指标，在9.3GHz～9.4GHz频段输出功率可以达到要求，各项传输系数和反射系数符合要求。

4 总 结

本文结合微波功率放大器的设计流程，根据设计的技术指标，选用的是砷化镓（GaAs）和（GaN）材料的器件，采用多路功率组件合成的形式设计出有一个X波固态功率放大模块，能够在要求的9.3～9.4GHz的频段内，实现输入15dBm脉冲波，输出波功率达到30W，增益30dB，驻波比<1.3。

参考文献

[1] 袁孝康，王仕踏，朱俊达.微带功率晶体管放大器[M].北京：人民邮电出版社，1982.

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[4] Vineeni，J.B.A .16 W solid state MMIC X-band amplifier for TWT replacement[J]. IEEE， 1996，2：749-752.

[5] Nai-shuo Cheng，Thal-PhuongDao.A 60-watt X-band spatially eombined solid-state amplifier[J] .IEEE MTT-S，1999，2：539-542.

[6] Zhu Jun，et， al. X-band T/R module based on GaN MMICs power amplifier[J]. APSAR，2011：1-4.

[7] 蒋庐俊.X波段固态功率放大器的研究[D].成都：电子科技大学，2011.

[8] 蒋拥军.X波段大功率固态放大器设计技术研究[D].南京：南京理工大学，2006.

[9] 张 亮.X波段脉冲功率放大器的设计与实现[D].上海：上海交通大学，2009.

正如式（1）、（2）中所示，在放大器每一级推动中，第一级输出功率最大为 33dBm，增益为 20dB，当输入为 13dBm，既可以达到最大输出功率，即对于HMC478LP5放大器管子而言，只要输入达到13dBm，即可以达到最大输出功率 2W（33 dBm），同理，对于 HMC7149 而言，输入功率为20dBm 就可以达到最大输出功率10W（40 dBm）。那么功率放大器每一级都推饱和的情况下，都能使功率达到最大输出功率。

第一级15 dBm经过第一级功放达到2W（33 dBm），进行1/4功率分配器输出每一路理想0.5W（26.8dBm），足可以推动下一级的功放，使其达到输出10W（40 dBm）。经过四路合成达到46 dBm的理论值，能够达到设计要求的30W（45dBm）。

3.1 稳定性分析

微波功率放大器设计的首要任务就是考虑功率晶体管的稳定性，其工作参数一定要低于最大额定参数，包括最大额定漏极电压、最大额定栅极电压、最大额定功耗、允许工作温度和最大结温等，使放大器在工作频段内能够保持稳定。如果不稳定可能导致寄生振荡，不仅使放大器的输出信号失真影响，而且在振荡过激会烧毁放大管。由仿真设计可以知道，所选器件是绝对稳定，设计中不需要专门再对器件稳定性进行设计，只需要在偏置匹配设计中保持电路的稳定即可。

3.2 偏置保护电路的设计

偏置隔直电路在于射频功率放大器电路设计当中占有非常重要的地位，一个好的偏置、耦合电路能够很好地提供稳定的电压，设定好合适工作点，能够很好地提高功率放大器的效率。

偏置电路设计当中，我们需要关注的问题在于高频扼流圈（RFC）的设计。高频扼流圈的主要作用在于，它对于高频信号起到遏制作用，对于高频信号呈现高阻抗特性，因此，RFC 的设计我们一般采用 1/4λ高阻抗线来代替电感，用扇形电容来代替集总电容元件接地。

偏置隔直电路的设计如图2所示：

3.3 匹配电路的设计

让微波电路和系统无反射、在行波或者尽量接近行波状态的技术措施就是阻抗匹配。对于任何一个微波功率放大器设计，没有很好阻抗匹配会使电路不稳定，也会使电路效率降低和非线性失真增大。所以微波电路和系统的设计中，无论是有源还是无源网络，阻抗匹配问题都是必须要考虑的。在设计功率放大器匹配电路时，匹配电路应同时满足阻抗匹配、小驻波比、谐波衰减、线性及实际尺寸、工作的带宽等多项要求。

本文虽然选择的器件是内匹配的，但是经过仿真之后发现匹配并不能达到我们的要求，所以需要进一步的设计输入输出匹配。

第一级功率放大器的输如输出匹配设计模型和仿真结果如图3和图4所示。

从图中可以看出S11<-20dB，增益能达到20dB，驻波比VSWR1<1.3，所以匹配电路的设计符合设计的指标。

3.4 功率放大模块整体的设计

将功率放大器建模，第一级、功分器、第二级、功率合成器整体联合仿真，仿真模型和仿真结果如图5所示。

根据仿真结果可以得知，功率放大模块符合设计指标，在9.3GHz～9.4GHz频段输出功率可以达到要求，各项传输系数和反射系数符合要求。

4 总 结

本文结合微波功率放大器的设计流程，根据设计的技术指标，选用的是砷化镓（GaAs）和（GaN）材料的器件，采用多路功率组件合成的形式设计出有一个X波固态功率放大模块，能够在要求的9.3～9.4GHz的频段内，实现输入15dBm脉冲波，输出波功率达到30W，增益30dB，驻波比<1.3。

参考文献

[1] 袁孝康，王仕踏，朱俊达.微带功率晶体管放大器[M].北京：人民邮电出版社，1982.

[2] 言华. 微波固态电路[M]. 北京理工大学出版社，1995.

[3] 赫崇骏，韩永宁，袁乃昌等. 微波电路[M]. 国防科技大学出版社，1999.

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[6] Zhu Jun，et， al. X-band T/R module based on GaN MMICs power amplifier[J]. APSAR，2011：1-4.

[7] 蒋庐俊.X波段固态功率放大器的研究[D].成都：电子科技大学，2011.

[8] 蒋拥军.X波段大功率固态放大器设计技术研究[D].南京：南京理工大学，2006.

[9] 张 亮.X波段脉冲功率放大器的设计与实现[D].上海：上海交通大学，2009.