貴州航天計量測試技術(shù)研究所 高 峯 廖海黔 賴寒昱

一種X波段功率放大組件設(shè)計

貴州航天計量測試技術(shù)研究所 高 峯 廖海黔 賴寒昱

本論文主要研究和設(shè)計了一種X波段GaN線性固態(tài)功率放大器組件，該固態(tài)放大器由功分器、可變增益放大器、功率放大器和隔離器等模塊組成。電路采用一種混壓階梯結(jié)構(gòu)的PCB工藝方式，將微波電路與控制電路集成在一張電路板上，實現(xiàn)了兩路同時最大輸出功率達30dBm的功率放大組件。最后經(jīng)實測結(jié)果表明，功放組件在X波段250MHz帶寬范圍內(nèi)最大輸出功率+30．48dBm，帶內(nèi)平坦度優(yōu)于±1dB。諧波抑制度優(yōu)于-55dBc。

功率放大組件；混壓階梯結(jié)構(gòu)；GaN；X波段；輸出功率；諧波抑制度

1 引言

功率放大器是無線通信系統(tǒng)中一個關(guān)鍵的組件，航天應(yīng)用對功率放大器的功耗、線性度、體積、重量、抗輻照和氣密封裝有較高的要求[1]。目前，以GaN、SiC為代表的寬禁帶材料工藝的成熟，為寬禁帶功率器件取得了很大的發(fā)展，憑借其眾多優(yōu)勢使之更適合制造高溫、高功率器件[2]。

2 工作原理

根據(jù)項目需求，需設(shè)計一功率放大組件，工作頻率為X波段，帶寬為0.25GHz，兩路信號全頻段最大輸出的功率為+30dBm±1dB，諧波抑制優(yōu)于-30dBc。

功放組件原理框圖如圖1所示，輸入信號功率為0dBm±1dBm，經(jīng)過威爾金森功分器將信號分為兩路，通過控制VGA增益驅(qū)動使功率放大器達到最大輸出。其中VGA選擇HMC694，該器件1dB壓縮點為19.5dBm，最大增益為18dB?？刂齐妷悍秶鸀?2V～0V。為了便于外部FPGA控制，控制電壓前端使用運算放大器作反向電路最終使控制電壓范圍為0V～2V。

圖1 原理框圖

功率放大器采用Triquint的TGA2627該芯片最大輸出功率達2W的功率放大器，其具體參數(shù)見表1。

表1 TGA2627功率放大器的主要指標(biāo)參數(shù)

TGA2627除了上述主要指標(biāo)以外，還有一個重要的指標(biāo)就是可以實現(xiàn)輸出信號諧波抑制小于-40dBc。

隔離器采用GDK-900A，隔離度≥20dB，插損約為1dB，工作頻率為X波段。

3 電路設(shè)計

由于功率放大組件電路要實現(xiàn)大功率信號輸出與良好的散熱性，往往會通過將微波電路與外部電路分開設(shè)計的方法來達到降低信號串?dāng)_的影響。為了盡可能減小模塊尺寸并兼顧良好的散熱性能，減少局部高溫對功率器件輸出性能惡化的影響，本文中PCB采用了一種階梯結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。[3]由表1可知，該電路中得主要發(fā)熱器件為TGA2627與HMC694，其中TGA2627功耗達9.75W，射頻信號最大輸出功率為2W，其余功耗均作為熱量進行傳遞，所以需要對其電路布局進行特殊處理。具體處理方法如圖2所示。

圖2 功放組件電路布局

圖2 階梯結(jié)構(gòu)處理示意圖

圖3 PCB板與鍍銀金屬底板

該電路板為6層混壓板，第一介質(zhì)為Rogers5880，其余層介質(zhì)為FR4。為了將工作中放大器的熱量盡快的傳遞至腔體散熱，所以將這些器件底部的FR4介質(zhì)層去除，并配合一張鍍銀金屬底板與PCB底面粘和。如圖3、圖4所示。

4 實驗結(jié)果

當(dāng)功率放大組件輸入功率為0dBm時，以10MHz為步進測試帶寬范圍內(nèi)其輸出功率，測試結(jié)果如表2所示。以50MHz為步進測試其二次諧波抑制度，其結(jié)果如表3所示。

表2 功率放大組件兩端口輸出功率測試結(jié)果

表3 功率放大組件兩端口輸出信號諧波抑制

由表2、3所示可見該功放組件滿足了預(yù)期指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

本文采用多層混壓階梯PCB結(jié)構(gòu)設(shè)計了一款X波段功率放大器，該固態(tài)放大器由功分器、可變增益放大器、功率放大器和隔離器等模塊組成。多層混壓階梯結(jié)構(gòu)將微波電路與控制電路集成在一張電路板上，實現(xiàn)了兩路同時最大輸出功率達+30dBm的功率放大組件。最后實測時，功放組件在X波段250MHz帶寬范圍內(nèi)最大輸出功率+30.29dBm，帶內(nèi)平坦度優(yōu)于±1dB，諧波抑制度優(yōu)于-64.46dBc。

[1]裴晨．高效率S波段GaN線性功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)[學(xué)位論文]．南京理工大學(xué)電子與通信工程,2013．

[2]楊斐,周永偉．S波段GaN大功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．火控雷達技術(shù),第157期．

[3]宋建遠,彭衛(wèi)紅．高頻混壓階梯板制作技術(shù)研究[J]．印制電路信息,2011(z1)．