Ka頻段300 W固態(tài)功率放大器設(shè)計(jì)

劉士奇，周 云，王 崇，鄭 昕，陳 鐳

( 1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.陸軍北京軍代局駐石家莊地區(qū)軍代室，河北 石家莊 050081；3.中航飛機(jī)股份有限公司，陜西 西安 710000；4.成都天劍科技有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

在毫米波衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，功率放大器是系統(tǒng)的核心設(shè)備之一。為了實(shí)現(xiàn)更高傳輸速率、更強(qiáng)抗干擾能力和避免對(duì)臨道的干擾，系統(tǒng)對(duì)功率放大器的輸出功率和線性度要求越來(lái)越高，一款高性能的功率放大器可以提升整個(gè)系統(tǒng)的工作能力[1-4]。

第三代半導(dǎo)體材料GaN與第二代半導(dǎo)體材料GaAs相比，具有高臨界擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率和高功率密度等優(yōu)點(diǎn)。相比于GaAs功率放大器和行波管功率放大器，GaN固態(tài)功率放大器具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長(zhǎng)和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，基于GaN的半導(dǎo)體器件已在衛(wèi)星通信、航天測(cè)控等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景[5-6]。

本文基于國(guó)產(chǎn)化GaN芯片研制了一款寬帶、高功率、高線性度的Ka頻段固態(tài)功率放大器產(chǎn)品，對(duì)功率放大器整機(jī)原理，分、合路器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制作等進(jìn)行了介紹。該功率放大器可廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星通信領(lǐng)域。

1 整機(jī)方案設(shè)計(jì)

Ka頻段300 W固態(tài)功率放大器整機(jī)主要由衰減器、線性化驅(qū)動(dòng)放大器、功率放大器模塊、耦合檢波器、監(jiān)控單元、電源模塊和風(fēng)機(jī)等組成，如圖1所示。

圖1 Ka頻段300 W固態(tài)功率放大器原理Fig.1 Functional block diagram of Ka-band 300 W SSPA

分路器將輸入信號(hào)分為2路：一路用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行功率檢測(cè)；另一路進(jìn)行功率放大并輸出。衰減器由放大器和數(shù)控衰減器芯片組成，可以實(shí)現(xiàn)高精度和小步進(jìn)衰減，高精度增益調(diào)節(jié)和輸入功率檢波。線性化驅(qū)動(dòng)放大器可以提供需要的增益和足夠的驅(qū)動(dòng)功率，同時(shí)線性化電路部分還可以改善整機(jī)的線性度。功率放大器模塊由32路功率放大器芯片合路組成，保證大于300 W的功率輸出。耦合器將功率放大器模塊輸出的信號(hào)輸出，并耦合出3路信號(hào)：一路用于射頻采樣，另外2路分別用于正向檢波和反向檢波。電源模塊將輸入的220 V交流電轉(zhuǎn)換為+20，+8，+12 V為各模塊供電。監(jiān)控單元采集各模塊的信息，并將輸入功率、輸出功率、反射功率、溫度、增益、電流、電壓和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信息上報(bào)給站控，監(jiān)控單元在特定情況下可關(guān)閉電源輸出以保護(hù)設(shè)備。

2 主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 高效高隔離度合成器

由于單只功率放大器芯片輸出能力有限，多路功率合成的方式是實(shí)現(xiàn)大功率輸出的唯一途徑。波導(dǎo)內(nèi)的空間功率合成方式具有損耗低、效率高、易加工和易散熱等優(yōu)勢(shì)，因此在毫米波頻段多采用各種形式的波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)合波導(dǎo)功率分配/合成的形式實(shí)現(xiàn)功率合成[7-17]。

在綜合分析各種功率分配/合成結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于波導(dǎo)E-T型結(jié)的新型功分器，通過(guò)在傳統(tǒng)波導(dǎo)E-T結(jié)功分器中加入探針過(guò)渡、吸收負(fù)載的方式，將傳統(tǒng)波導(dǎo)E-T型結(jié)的三端口傳輸特性設(shè)計(jì)成波導(dǎo)四端口特性，在插入損耗、2路輸出隔離度、寬頻帶及小體積等各方面相比于傳統(tǒng)功率分配/合成結(jié)構(gòu)都有很大提高。

高隔離度二分路器三維模型如圖2所示。

圖2 高隔離度二分路器三維模型Fig.2 Model of power divider

高隔離度二分路器仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 高隔離度二分路器仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of power divider

由圖3可以看出，相比傳統(tǒng)的E-T結(jié)功分器，隔離度由6 dB改善為20 dB，可以改善隔離度不高造成的芯片間信號(hào)干擾，使芯片工作更穩(wěn)定。

基于高隔離度新型E-T結(jié)功分器制作的單元功率放大器模塊如圖4所示。模塊實(shí)現(xiàn)了8路12 W放大器芯片合成，經(jīng)測(cè)試，該模塊可在25～31 GHz實(shí)現(xiàn)大于80 W的功率輸出。

圖4 Ka頻段功放模塊Fig.4 Picture of Ka-band power amplifier module

以該單元功率放大器模塊為基礎(chǔ)，可以根據(jù)不同的功率需求，采用波導(dǎo)空間功率合成的方式再次進(jìn)行功率合成，實(shí)現(xiàn)所需要的輸出功率。本文使用改進(jìn)型高隔離度E-T結(jié)功分器為基本單元，通過(guò)級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)4路功率分配/合成，同時(shí)在合路器支臂中加入高通濾波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收頻率的抑制，可以有效改善噪聲譜密度。分/合路器仿真模型如圖5所示。分/合路器仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 分/合路器三維模型Fig.5 Model of power divider and combiner

圖6 分/合路器仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of power divider and combiner

2.2 預(yù)失真線性化技術(shù)

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)對(duì)傳輸信息量、傳輸速率及傳輸質(zhì)量越來(lái)越高，對(duì)毫米波功放的線性度的要求更高。目前，Ka頻段GaN功率放大器芯片在多路合成時(shí)無(wú)法滿足系統(tǒng)對(duì)三階互調(diào)指標(biāo)的要求，為了更好地滿足使用要求，需要采用預(yù)失真線性化技術(shù)以改善整機(jī)的三階互調(diào)指標(biāo)。

本文基于模擬預(yù)失真的方法設(shè)計(jì)了一種線性化器，相比于其他方式，模擬預(yù)失真線性化器具有頻帶寬、穩(wěn)定性高、成本低和電路簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)[18-19]。

預(yù)失真線性化器設(shè)計(jì)原理框圖如圖7所示?；舅枷胧峭ㄟ^(guò)在90°分支線電橋的支路上使用肖特基二極管改變電橋耦合及直通支路上的反射系數(shù)，以改變預(yù)失真線性化器的輸入輸出端口間的傳輸系數(shù)，實(shí)現(xiàn)與固態(tài)功放非線性失真相反的趨勢(shì)，從而抵消固態(tài)功放自身的非線性失真。

圖7 線性化器原理Fig.7 Principle block diagram of predistortion linearizer

線性化器實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 線性化器Fig.8 Picture of predistortion linearizer

線性化器幅度、相位測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 線性化器幅度、相位測(cè)試結(jié)果Fig.9 Results of amplitude and phase test of predistortion linearizer

通過(guò)調(diào)節(jié)饋電電壓和調(diào)諧單元，選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c(diǎn)，使預(yù)失真器非線性呈現(xiàn)與功放相反的趨勢(shì)，并與功放的趨勢(shì)互補(bǔ)，相互抵消，以優(yōu)化功放的線性度。

線性化模塊組成框圖如圖10所示。預(yù)失真線性化器前后要配置有增益可調(diào)放大模塊，增益可調(diào)模塊的作用是調(diào)節(jié)預(yù)失真線性化器的輸入功率范圍，使其與末級(jí)的固態(tài)功放模塊區(qū)間相吻合，從而達(dá)到相互抵消的目的。

圖10 線性化模塊組成框圖Fig.10 Block diagram of predistortion linearizer module

利用上述方案，研制了預(yù)失真線性化驅(qū)動(dòng)模塊，在整機(jī)中加入線性化驅(qū)動(dòng)放大器模塊，整機(jī)的三階互調(diào)值由-23.5 dBc提高到-28.8 dBc。

3 整機(jī)設(shè)計(jì)及實(shí)測(cè)結(jié)果

Ka頻段300 W功率放大器作為通信鏈路的關(guān)鍵設(shè)備，需要不斷電長(zhǎng)時(shí)間工作在室外環(huán)境中，在設(shè)備指標(biāo)合格的前提下，需要盡可能提高設(shè)備的可靠性。考慮到設(shè)備工作在不同的環(huán)境條件，不僅需要充分考慮設(shè)備的散熱，還需要配置完善的監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的監(jiān)控和保護(hù)。

通過(guò)在各關(guān)鍵部件裝配參數(shù)傳感器，設(shè)備的監(jiān)控單元可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的輸入功率、輸出功率、反射功率、功放模塊的溫度和每只功放芯片的電流等狀態(tài)參數(shù)，操作人員可以通過(guò)站控讀取設(shè)備的增益、輸出駐波、輸出功率、反射功率、溫度和電流等參數(shù)，可通過(guò)設(shè)置衰減調(diào)節(jié)設(shè)備增益。當(dāng)設(shè)備輸出駐波異常、電流或溫度超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，設(shè)備的監(jiān)控單元關(guān)斷電源輸出，以保護(hù)功放模塊。

Ka頻段300 W功率放大器整機(jī)實(shí)物如圖11所示。該功放散熱方式為風(fēng)冷，機(jī)箱采用均溫板材料，使發(fā)熱量最大的功放模塊的熱量能均勻到機(jī)箱，最大程度降低設(shè)備的溫升。通過(guò)測(cè)試，設(shè)備在300 W功率輸出時(shí)，設(shè)備溫升約為25.5 ℃，即使在55 ℃的條件下，仍能可靠運(yùn)行。

圖11 Ka頻段300 W功率放大器實(shí)物Fig.11 Picture of Ka-band 300 W power amplifier

對(duì)Ka頻段300 W功率放大器進(jìn)行全指標(biāo)測(cè)試，其主要測(cè)試指標(biāo)如表1所示。

表1 Ka頻段300 W功率放大器測(cè)試結(jié)果
Tab.1 Test results of Ka-band 300 W power amplifier

項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果工作頻率/GHz輸出功率/dBm三階互調(diào)/dBc雜散/dBc功耗/W25～3155.2-28.8-65.72 100

由測(cè)試結(jié)果可以看出，該功率放大器性能指標(biāo)優(yōu)良。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種Ka頻段固態(tài)功率放大器的設(shè)計(jì)，通過(guò)多路功率合成實(shí)現(xiàn)300 W的連續(xù)波功率輸出，三階互調(diào)指標(biāo)優(yōu)于-25 dBc功率合成效率優(yōu)于90%，整機(jī)效率優(yōu)于16%，整機(jī)重量小于23 kg。設(shè)備通過(guò)了高溫、低溫、震動(dòng)、淋雨、低氣壓和電磁兼容等各項(xiàng)試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求，配置了完善的監(jiān)控功能，針對(duì)工程應(yīng)用進(jìn)行了多項(xiàng)設(shè)計(jì)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。