S频段60W功率放大器设计

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　　摘要：目前，固态功率放大器具有大功率、宽频带、小型化、高可靠性以及低成本等特点。本文使用ADS的负载牵引技术对预匹配功率管进行匹配电路设计和优化，仿真结果显示单管输出功率大于40W。90°表贴3dB电桥进行两路功率合成，最终输出功率大于60W，PAE不小于30%，增益平坦度优于±0.3dB。
　　关键词：ADS;负载牵引;宽带功率放大器;
　　中图分类号：TN722.75     文献标识码：A    文章编号：1007-9416（2020）04-0000-00
　　0引言
　　 近几年，随着宽禁带半导体材料工艺的进步，GaN功率器件因具有宽频带、大功率、高效率、高散热以及抗辐照等优势而被越来越多的应用于相控阵雷达、无线通讯技术和航空航天等领域中[1]。
　　 本文针对目前需求较大的S频段功放模块，遵循模块化和小型化原则，选用国外CREE公司的某款GaN HEMT，利用其大功率仿真模型設计了一款输出功率大于60W且具有环路增益控制功能的放大模块，具有较好的增益平坦度，不仅可满足相同功率量级的通用化需求，而且在更大功率的合成和相控阵组件应用中仍可广泛使用。
　　1末级放大电路仿真与设计
　　 根据连续波使用需求，功率放大器工作在AB类可有效减小静态功耗，同时满足动态范围内的增益需求，通过扫描功率管的I-V特性曲线可选择合适的静态工作点。
　　 如图1所示，该功率管静态工作点选取为Vds=28V，Ids=0.606A。
　　 根据功率管的资料可选择最佳源阻抗和负载阻抗作为初始值，然后通过软件的负载牵引模板进行验证和调整，最终选择虚部尽可能小的阻抗值，该阻抗值需同时兼顾功率和效率，图2是在3GHz频点，输入功率为35dBm条件下的负载阻抗仿真结果，可以看出在负载阻抗为11.131-j*6.097时，功率管附加效率PAE为57.21%，输出功率为48.42dBm。
　　 对于跨倍频程的宽带功放，微带匹配网络设计尤为关键，此处我们选择多节1/4波长匹配法，该方法的优点是根据指标需求可灵活控制节数来实现宽带匹配目标。
　　 根据负载牵引仿真结果得到的频带内最佳源阻抗和负载阻抗值，并建立谐波平衡仿真模型对微带参数进行优化仿真，原理图如图3所示，优化仿真结果如图4所示。
　　 从仿真结果看，整个频带内饱和输出功率不小于46.6dBm（45.6W），附加效率PAE大于44%，功率增益大于9dB，满足设计要求;经制版加工调试后，实测结果输出功率大于40W，附加效率PAE不小于38%。
　　 选用IPP公司的表贴3dB 90°电桥进行功率合成，该电桥虽具有小型化的优点，但表贴焊盘引入的对地电容恶化了端口驻波，因此需要减小输入输出微带线宽度以满足级联驻波需求。
　　2耦合检波电路设计
　　 末级功率管作为功率放大器的核心器件，处在射频放大链路的最末端，工作状态受输出天线驻波影响较大，为保证长期可靠工作，同时为了减小维修成本，大功率的放大器设计通常需要增加对输出端口前反向功率的实时采样检测电路，以达到保护整个功率放大器的目的。
　　 射频信号的功率采样单元为定向耦合器，S频段采用带状线形式的设计方式，可兼顾性能指标、体积和成本，在前反向输出端口之间增加金属结构隔墙可大大降低端口间的空间影响。
　　 根据检波器指标，需在检波器输入端增加合适的π型衰减器以降低最大输入功率，改善输入驻波，减少前反向检波之间的相互影响;与此同时，采用表贴形式的检波器虽然可减少成本和空间体积，但在S频段范围内检波的频响特性受空间辐射影响较大，需要在合适位置粘贴吸波材料以消除谐振响应。
　　3实物测试和结束语
　　 最终测试结果如图5所示。
　　 本文设计了一款S频段功率放大器，具有环路功率控制功能和高驻波检测保护功能，带内输出功率不小于60W，功率平坦度优于±0.3dB;测试结果表明，采用ADS仿真软件可以快速实现预匹配功率管的应用设计，缩短项目研制周期。
　　参考文献
　　[1] 余乐.X频段GaN MMIC功率放大器设计[D].西安电子科技大学.2017.
　　收稿日期：2020-03-11
　　作者简介：陈创业（1987—），男，河北辛集人，研究生，工程师，研究方向：微波固态功率放大器。
　　 Design of S-band 60 W Power Amplifier
　　CHEN Chuang-ye
　　（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei  050081）
　　Abstract：At present，the solid–state power amplifier has the characteristics of high power，broadband，miniaturization，high reliability and low cost.In this paper，the load-pull technology of ADS is used to design and optimize the matching circuit of the pre-matched power transistor，and the simulation results show that the output power of sigle transistor is more than 40W.Then a SMD 90°-3dB hybrid is used for two-way power combining，the final ouput power is greater than 60W，PAE is not less than 30%，and the gain flatness is better than ±0.3dB.
　　Keywords：ADS;load-pull;broadband power amplifier
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