吳一多，陳曉光，宋漢斌

(復(fù)旦大學(xué)通信科學(xué)與工程系， 上海200433)

在通信和雷達(dá)系統(tǒng)中，功率放大器是極其重要的組成部分，隨著軍用，民用系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，對(duì)功率放大器的研制也提出了更高的要求。脈沖功率放大器廣泛用于脈沖雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)、遙測(cè)等各種領(lǐng)域。作為其關(guān)鍵元件，其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試、測(cè)試都是關(guān)鍵技術(shù)[1]。

本文考慮到上述因素，按照系統(tǒng)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種擁有200 W輸出的功率的脈沖功率放大器。系統(tǒng)采用三級(jí)放大級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)采用擁有較高增益的低功耗驅(qū)動(dòng)放大器，第二級(jí)采用增益和功率都適中的功率放大器，末級(jí)采用平衡式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較大的輸出功率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

功率放大器設(shè)計(jì)指標(biāo)：頻帶2.3 GHz-2.4 GHz，增益47±1.5 dB，脈沖寬度8 μs、占空比1%，脈沖輸出功率200 W，回波損耗15 dB， 28 V供電電壓。

圖1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)指標(biāo)要求， 輸出脈沖功率為 200 W(約53 dBm)，系統(tǒng)增益為47 dB，所以要求第一級(jí)放大器能夠承受至少功率為6 dBm的輸入信號(hào)；第二級(jí)需要選用增益與輸出功率都適中的功率放大器；末級(jí)放大器的輸出端要承受53 dBm的輸出功率，為了保證電路的正常工作，實(shí)際的最大輸出功率要比指標(biāo)要求功率大。

1.1 各級(jí)功率放大器的選取

本系統(tǒng)第一級(jí)選取擁有較高增益的低功耗驅(qū)動(dòng)放大器HMC414。該放大器在頻段上的增益接近20 dB，最高的輸出功率為30 dBm，可承受10 dBm的輸入功率。該放大器外圍電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需5 V的供電電壓，電流為300 mA，有較好的回波損耗，效率為32%。如圖2 所示， V為5 V的直流電壓，由28 V電壓經(jīng)過分壓和穩(wěn)壓器后得到。 Vcc為5 V，

圖2 第一級(jí)功放電路圖

R為電位器，根據(jù)元件的參數(shù)要求，需要通過調(diào)節(jié)電位器來保證兩個(gè)輸入端的電壓為3.6 V左右。電感L為18 nH， 作為高頻扼流。電容C1作用為隔直，C2—C6去除噪聲和干擾。 TL1～TL3為50歐姆特征阻抗的微帶線。經(jīng)過調(diào)節(jié)，第一級(jí)放大電路的實(shí)際增益約為18 dB，輸出功率約為24 dBm。

第二級(jí)功率放大器需要承受功率約為24 dBm的輸入信號(hào)，并具備比較高的增益和輸出功率。本系統(tǒng)選取MRF6S23100功率放大器。該放大器為AB類，在頻段上的增益接約15 dB，最高的輸出功率為50 dBm，標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)下需28 V的供電電壓，電流為1 000 mA，Vgs=2.8 V，效率為23.5%。電路如圖2所示，漏極為28 V的供電電壓，由電壓轉(zhuǎn)換器和電位器得到2.8 V柵極電壓，R1為10 Ω、1/8 W的片狀電阻，用來控制電流，保護(hù)電路。實(shí)際電路中在漏極多設(shè)置了一個(gè)電感用做高頻扼流。輸入和輸出線路上的電容C1和C7起隔直作用，其他電容(μF級(jí))去除噪聲干擾。參數(shù)匹配通過微帶線完成，使增益和回波達(dá)到指標(biāo)要求。實(shí)際電路的第二級(jí)輸出功率為39 dBm。

圖3 第二級(jí)功放電路圖

系統(tǒng)輸出脈沖功率為200 W，但為了保證第三級(jí)功放擁有良好的線性度、溫度穩(wěn)定性、可靠性使用，其輸出功率一般保持在最大功率的三分之一到二分之一左右。因此，末級(jí)功放采用平衡式結(jié)構(gòu)以滿足要求，使電路最高輸出功率在300 W以上[2-3]。本系統(tǒng)選取MRF6P23190作為末級(jí)功放。該放大器為AB類，在頻段上的增益接約14 dB，最高的輸出功率為190 W，標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)下需28 V的供電電壓，電流為1 900 mA， Vgs=2.8 V，三階交調(diào)為37.5 dBc，效率為23.5%。圖 4 為單路的末級(jí)功放電路圖，MRF6P23190本身由是兩個(gè)放大器合成而來，供電電壓為28 V，由電壓轉(zhuǎn)換器和電位器得到2.8 V柵極電壓。 R1、R2為240 Ω、1/4 W的片狀電阻，用來控制電流，保護(hù)電路。為實(shí)際電路中在漏極設(shè)置電感用做高頻扼流。輸入和輸出線路上的電容C1～C4起隔直作用，其他電容(μF級(jí))去除噪聲干擾?；夭ê驮鲆娴膮?shù)匹配，功率的合成都通過微帶線完成。

圖4 末級(jí)功放電路(單路)

1.2 平衡式放大電路原理

如圖5所示，平衡式放大電路由兩個(gè)相同的3 dB電橋和兩個(gè)相同的放大管組成， Z0為50 Ω的電阻。根據(jù)3 dB電橋的傳輸特性，在1端口輸入射頻信號(hào)經(jīng)過3 dB電橋后，被平均分配到放大管T1和T2的輸入端口，其中2端口的射頻信號(hào)超前3段端口π/2。由于兩個(gè)放大電路的特性完全一致，那么放大管T1和T2反射的射頻信號(hào)的幅度將相同，反射信號(hào)經(jīng)進(jìn)入3 dB電橋。由于2端口的射頻信號(hào)超前3端口π/2，按照3 dB電橋的特性，合成功率在4端口被電阻Z0吸收，而在1端口沒有輸出。因此，即使兩個(gè)放大電路在輸入端產(chǎn)生很大的反射，在平衡放大電路的射頻輸入端也不會(huì)有射頻信號(hào)的反射，實(shí)現(xiàn)了很低的輸入駐波系數(shù)。同理，經(jīng)過放大電路后的輸出信號(hào)會(huì)在放大電路的輸出端口功率合成，而反射信號(hào)則被Z0吸收，可以大幅度的降低放大電路的輸出駐波系數(shù)[4-5]。

圖5 平衡式放大器結(jié)構(gòu)原理圖

平衡式放大電路比單端放大器具有更好的穩(wěn)定性和可靠性，一旦一路壞掉以后，放大器 仍能工作，只不過功率增益減小約6 dB。此外，平衡放大電路容易實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)工作，由于其輸入和輸出具有很低的駐波系數(shù)，所以便于前級(jí)電路和后級(jí)電路的獨(dú)立設(shè)計(jì)[6-7]。

本系統(tǒng)的末級(jí)輸入信號(hào)功率約為39 dBm，經(jīng)過3 dB電橋后分成兩路36 dBm的信號(hào)分別進(jìn)入兩路放大器中，輸出功率約為50 dBm的兩路輸出信號(hào)，經(jīng)3 dB電橋后合成為53 dBm的輸出信號(hào)。每路放大器承受100 W左右的輸出功率，可以保證系統(tǒng)的可靠性，穩(wěn)定性，并延長(zhǎng)了放大器的使用壽命。此系統(tǒng)中，在末級(jí)輸出端的3 dB電橋所接的負(fù)載要能夠承受較大的功率。

2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述理論和實(shí)際要求，我們?cè)O(shè)計(jì)并繪制了PCB版圖，如圖6， ①為第一級(jí)功放HMC414， ②為第二級(jí)功放MRF6S23100， ③為平衡式結(jié)構(gòu)的末級(jí)功放MRF6P23190。版圖采用雙層布線，將射頻線和直流電源線分開，并在在每級(jí)放大器之間設(shè)有隔離帶，以降低干擾。

根據(jù)PCB版圖，我們制作了實(shí)際電路板，如圖7所示，板材型號(hào)為TLK-8，介電常數(shù)為2.55，介質(zhì)厚度為0.76 mm。其輸入輸出接頭為SMA連接器。如圖， ①為第一級(jí)功放HMC414， ②為第二級(jí)功放MRF6S23100， ③為平衡式結(jié)構(gòu)的末級(jí)功放MRF6P23190。

圖7 電路實(shí)物圖

封裝好的系統(tǒng)如圖8 所示，由于放大器散熱量較大，下面需要安置散熱片。

圖8 封裝后的實(shí)物圖

使用安捷倫公司的E5071B型號(hào)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀測(cè)試系統(tǒng)的增益和輸入回波損耗。由于系統(tǒng)功率較大，為保護(hù)測(cè)試儀器，需要在系統(tǒng)輸出端增加一個(gè)30 dB的衰減器，原理圖如圖9所示。

圖9 測(cè)試原理圖

如圖10所示，箭頭1和2分表示頻段起始和終止點(diǎn)， 儀器顯示放大器在指定頻段內(nèi)的增益為16.5 dB～18.5 dB，加上之前的30 dB的衰減，放大器在指定頻段內(nèi)的增益為46.5 dB～48.5 dB，滿足指標(biāo)要求。

圖10 系統(tǒng)增益測(cè)試結(jié)果

如圖11所示，箭頭1和2分表示頻段起始和終止點(diǎn)，儀器顯示放大器在指定頻段內(nèi)輸入回波損耗為-14.5 dB～20 dB，滿足指標(biāo)要求。

圖11 系統(tǒng)輸入回波測(cè)試結(jié)果

使用ROHDE＆SCHWARZ功率計(jì)測(cè)量系統(tǒng)的輸出脈沖功率，原理圖如圖12所示。

圖12 測(cè)試原理圖

如圖13和圖14所示，放大器在輸入脈沖信號(hào)功率為6 dBm的時(shí)候，輸出功率約為200 W，符合指標(biāo)要求。由于帶寬窄，在指定頻段內(nèi)輸出功率變大不大。

圖13 輸入功率

圖14 輸出功率

3 結(jié)論

本文給出了可用于民用無線通信的200 W平衡式脈沖功率放大器，對(duì)系統(tǒng)的原理和方案設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，充分考慮到高功率，高增益等主要技術(shù)指標(biāo)要求，測(cè)試證明系統(tǒng)滿足指標(biāo)要求。系統(tǒng)的參數(shù)存在改進(jìn)的空間，比如由于條件限制，第二級(jí)功率放大器本身可承受的輸出功率遠(yuǎn)大于實(shí)際電路中的輸出功率，此處可以選擇功率較小的放大器來提高對(duì)其的利用率，同時(shí)也減小了散熱。三級(jí)放大器之間的匹配電路也可以有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，以此來滿足更高指標(biāo)要求的系統(tǒng)。今后會(huì)在以上兩個(gè)方向做深層次的研究。

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