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[摘 要]目前，固态功率放大器正在得到越来越多的应用 ，本文介绍了功率放大器的组成和工作原理以及主要电路设计，并对设计中应注意的问题进行了总结。
[关键词]固态功率放大器；X波段；工作原理；设计；分析
中图分类号：TG653 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）20-0184-02
一、 引言
功率放大器的主要作用是将需要发送的信号放大到一定的功率电平再经天线后以无线方式发送到空间，主要指标包括输出功率、工作带宽以及驻波比等技术指标。目前，工作频率在4GHz以下波段固态功放应用较为广泛，在4GHz以上C波段和X波段大功率发射机功放仍以行波管为主。由于发射机的固态化具有体积小、重量轻、效率高、结构简单、稳定性好、可靠性高、不需要高压电源、安全系数高等优点，因此越来越受到卫星通信领域技术人员的高度重视，因其核心部件是固态功率放大器，因此X波段固态功放的研制变得十分重要。
二、 功率放大器工作原理
本功率放大器组成框图如图1所示，主要组成部分为：1个8W驱动放大器，16个25W放大链、17个电源偏置和调制电路单元、1分8功率分配器、8合1功率合成器、2合1波导功率合成器。其主要技术指标如下：工作频率：9.5GHz-10.5GHz；输入脉冲功率：10mW；输出脉冲功率：280W；带内功率起伏：1dB；脉冲宽度：100uS；最大工作比：10%。
输入10mW的射频激励信号首先经8W驱动放大器放大后，经1分2再1分为8分成16路，每路0.5W左右去推动16个25W放大链，最后通过8合1和2合1合成，最终输出大于280W。每个放大链均配有一个电源偏置和调制电路单元。
三、 功率放大器主要电路设计
1. 微波晶体管的设计
由于本固态功率放大器是工作在X波段，所以我们一般都选用场效应晶体管。同时为了提高整个功放的最大工作带宽、效率，增益以及一致性，我们将常采用内匹配的场效应晶体管。本设计中我们选用的是一种将整个封装好的晶体管的输入、输出阻抗直接转换到50Ω的晶体管，故不需要进行输入、输出匹配电路的设计，大大简化了电路设计的过程。同时在选择功率放大管时还应注意其各项指标参数，要确保级问的推动功率足够，同时还需留出一定的设计余量，确保功放在各种情况下都能正常工作。
2.微波电路设计
一般情况下微波测量设备为50Ω系统即使用的微波信号源及终端负载为50Ω，因此输入及输出匹配电路均需要向50Ω方向进行匹配。在相同的特性阻抗下，微带线的长度与宽度取决于基片的厚度及相对介电常数，ROGERS4350B高频电路板，其相对介电常数εr=3.48，厚度H=0.762mm，铜箔厚度10z。用传输线计算工具可算得在所需工作频段上50Ω的传输线宽度约为1.74mm，其宽度适中，方便与输入输出引脚焊接，长度可以根据需要更改，1/4波长约为5.5mm。
3.放大链的設计
本放大链有两种，分别是8W的驱动放大链和末级的25w放大链。8W驱动放大链有3级放大器组成，第一级为0.5W功放模块，第二、第三级分别为2W8W功率管，在0.5W功放模块的输入输出分别加有隔离器，最终输出大于8W。每个25W放大链由3级放大器组成，第一级输出功率大于2W，第二级输出功率大于8W，第三级输出功率大于25w，三级功率管均为内匹配场效应管，最终输出大于25W。所有的功率器件均为内匹配器件，输入输出匹配电路就是50微带传输线，偏置电路采用1/4波长高阻线和1/4波长扇形阵电路相结合的方法，隔直电路采用二指交指结构。为了保证16路25W放大链之间的相位一致性，每路加入了一个相位调整电路，该电路有两个相距四分之一波长的高阻开路微带线并联而成，通过改变开路线的长度来改变插入相。
4.电源馈电和调制电路单元的设计
电源馈电和调制电路单元采用漏极调制方式，考虑到如果给所有的功率管统一调制供电的话，存在以下几方面的问题：一是，整个放大器的脉冲电流很大，预计在190A左右，需要有大电流的开关管，开关管的体积和散热是问题；二是，统一调制供电必然存在电源引线过长的问题，漏极电源为脉冲电源，较长的引线必然引起较大的电源压降，同时也容易受干扰；三是GaAsFET不同于硅双极晶体管，硅双极晶体管失效时，集电极绝大多数是对地开路，而GaAsFET失效时，漏极对地短路，这样，只要有一个AsFET失效，整个供电电源就会短路。设计中给每一个放大链都单独提供一个电源馈电和调制电路单元，这样每一路放大链的最大脉冲电流在12A左右，采用IRFSM4905场效应管作为主开关管就足够了，这样也减少了因某路放大链或电源馈电和调制电路单元失效，影响到整个放大器。
5.1 分8功率分配合成器的设计
1分8功率分配合成器采用二进制结构形式，由三级3dB电桥组成。易于设计、易于用微带工艺实现的平面电路的3dB电桥的基本形式主要有：分支线电桥、Wilkinson功分器、混合环、Lange祸合器等。在构成功率合成放大电路时，从电气性能上讲，这几种电路形式各有优点。Lange藕合器体积小、频带宽、隔离度良好；Wilkinson功分器结构简单、两路幅度和相位平衡度较好、能够同相输出；分支线电桥和混合环输入输出反射系数小、隔离度好。从工艺角度来看，Lange祸合器中的祸合线宽和缝隙都很小，频率越高，加工越困难；Wilkinson功分器中的隔离电阻的位置很关键，安装却很困难，到x波段段，由于电路尺寸很小，一般只能安装薄膜电阻，但耐功率较差，同时也增加了制作工艺的复杂程度。分支线电桥的周长为，随频率升高，各臂之间距离太近，性能也开始变差；3dB混合环是环行分支线电桥的一种特殊形式，它的周长是1，5的奇数倍，相对与前三种合成方式，具有设计简单、安装方便的优点，在x波段固态放大器中应用较广泛。
四、 功率放大器设计中应注意的问题
1.选择合适的电路结构形式。在常规的低频段固态大功率的放大器设计时，一般采用的是末级多管直接合成的方式来实现，在x波段，由于单管增益低，一般为6—7dB。而分配合成器的损耗又大，采用常规方法合成，效率较低，本放大器采用多放大链合成，减少了中间级的合成损耗，提高了放大器的效率。
2.努力提高放大链的效率。选择合适的工作点，优化偏置电路、隔直电容的设计。尽可能减少放大器的电路损耗，同时，采取电源脉冲调制的方式，尽量减少调制脉冲的前后沿。
3.降低分配合成器的电路损耗。选择介质损耗小的介质基片、减少传输线的长度。以减少合成网络的电路损耗，最后的2合1合成器采用低损耗的同轴一波导合成器。
参考文献
[1] 郑新等译，微波固态电路设计（第二版），电子工业出版社，2006.
[2] 李跃锋，一种x波段固态功率放大器火控雷达技术，2006.
[关键词]固态功率放大器；X波段；工作原理；设计；分析
中图分类号：TG653 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）20-0184-02
一、 引言
功率放大器的主要作用是将需要发送的信号放大到一定的功率电平再经天线后以无线方式发送到空间，主要指标包括输出功率、工作带宽以及驻波比等技术指标。目前，工作频率在4GHz以下波段固态功放应用较为广泛，在4GHz以上C波段和X波段大功率发射机功放仍以行波管为主。由于发射机的固态化具有体积小、重量轻、效率高、结构简单、稳定性好、可靠性高、不需要高压电源、安全系数高等优点，因此越来越受到卫星通信领域技术人员的高度重视，因其核心部件是固态功率放大器，因此X波段固态功放的研制变得十分重要。
二、 功率放大器工作原理
本功率放大器组成框图如图1所示，主要组成部分为：1个8W驱动放大器，16个25W放大链、17个电源偏置和调制电路单元、1分8功率分配器、8合1功率合成器、2合1波导功率合成器。其主要技术指标如下：工作频率：9.5GHz-10.5GHz；输入脉冲功率：10mW；输出脉冲功率：280W；带内功率起伏：1dB；脉冲宽度：100uS；最大工作比：10%。
输入10mW的射频激励信号首先经8W驱动放大器放大后，经1分2再1分为8分成16路，每路0.5W左右去推动16个25W放大链，最后通过8合1和2合1合成，最终输出大于280W。每个放大链均配有一个电源偏置和调制电路单元。
三、 功率放大器主要电路设计
1. 微波晶体管的设计
由于本固态功率放大器是工作在X波段，所以我们一般都选用场效应晶体管。同时为了提高整个功放的最大工作带宽、效率，增益以及一致性，我们将常采用内匹配的场效应晶体管。本设计中我们选用的是一种将整个封装好的晶体管的输入、输出阻抗直接转换到50Ω的晶体管，故不需要进行输入、输出匹配电路的设计，大大简化了电路设计的过程。同时在选择功率放大管时还应注意其各项指标参数，要确保级问的推动功率足够，同时还需留出一定的设计余量，确保功放在各种情况下都能正常工作。
2.微波电路设计
一般情况下微波测量设备为50Ω系统即使用的微波信号源及终端负载为50Ω，因此输入及输出匹配电路均需要向50Ω方向进行匹配。在相同的特性阻抗下，微带线的长度与宽度取决于基片的厚度及相对介电常数，ROGERS4350B高频电路板，其相对介电常数εr=3.48，厚度H=0.762mm，铜箔厚度10z。用传输线计算工具可算得在所需工作频段上50Ω的传输线宽度约为1.74mm，其宽度适中，方便与输入输出引脚焊接，长度可以根据需要更改，1/4波长约为5.5mm。
3.放大链的設计
本放大链有两种，分别是8W的驱动放大链和末级的25w放大链。8W驱动放大链有3级放大器组成，第一级为0.5W功放模块，第二、第三级分别为2W8W功率管，在0.5W功放模块的输入输出分别加有隔离器，最终输出大于8W。每个25W放大链由3级放大器组成，第一级输出功率大于2W，第二级输出功率大于8W，第三级输出功率大于25w，三级功率管均为内匹配场效应管，最终输出大于25W。所有的功率器件均为内匹配器件，输入输出匹配电路就是50微带传输线，偏置电路采用1/4波长高阻线和1/4波长扇形阵电路相结合的方法，隔直电路采用二指交指结构。为了保证16路25W放大链之间的相位一致性，每路加入了一个相位调整电路，该电路有两个相距四分之一波长的高阻开路微带线并联而成，通过改变开路线的长度来改变插入相。
4.电源馈电和调制电路单元的设计
电源馈电和调制电路单元采用漏极调制方式，考虑到如果给所有的功率管统一调制供电的话，存在以下几方面的问题：一是，整个放大器的脉冲电流很大，预计在190A左右，需要有大电流的开关管，开关管的体积和散热是问题；二是，统一调制供电必然存在电源引线过长的问题，漏极电源为脉冲电源，较长的引线必然引起较大的电源压降，同时也容易受干扰；三是GaAsFET不同于硅双极晶体管，硅双极晶体管失效时，集电极绝大多数是对地开路，而GaAsFET失效时，漏极对地短路，这样，只要有一个AsFET失效，整个供电电源就会短路。设计中给每一个放大链都单独提供一个电源馈电和调制电路单元，这样每一路放大链的最大脉冲电流在12A左右，采用IRFSM4905场效应管作为主开关管就足够了，这样也减少了因某路放大链或电源馈电和调制电路单元失效，影响到整个放大器。
5.1 分8功率分配合成器的设计
1分8功率分配合成器采用二进制结构形式，由三级3dB电桥组成。易于设计、易于用微带工艺实现的平面电路的3dB电桥的基本形式主要有：分支线电桥、Wilkinson功分器、混合环、Lange祸合器等。在构成功率合成放大电路时，从电气性能上讲，这几种电路形式各有优点。Lange藕合器体积小、频带宽、隔离度良好；Wilkinson功分器结构简单、两路幅度和相位平衡度较好、能够同相输出；分支线电桥和混合环输入输出反射系数小、隔离度好。从工艺角度来看，Lange祸合器中的祸合线宽和缝隙都很小，频率越高，加工越困难；Wilkinson功分器中的隔离电阻的位置很关键，安装却很困难，到x波段段，由于电路尺寸很小，一般只能安装薄膜电阻，但耐功率较差，同时也增加了制作工艺的复杂程度。分支线电桥的周长为，随频率升高，各臂之间距离太近，性能也开始变差；3dB混合环是环行分支线电桥的一种特殊形式，它的周长是1，5的奇数倍，相对与前三种合成方式，具有设计简单、安装方便的优点，在x波段固态放大器中应用较广泛。
四、 功率放大器设计中应注意的问题
1.选择合适的电路结构形式。在常规的低频段固态大功率的放大器设计时，一般采用的是末级多管直接合成的方式来实现，在x波段，由于单管增益低，一般为6—7dB。而分配合成器的损耗又大，采用常规方法合成，效率较低，本放大器采用多放大链合成，减少了中间级的合成损耗，提高了放大器的效率。
2.努力提高放大链的效率。选择合适的工作点，优化偏置电路、隔直电容的设计。尽可能减少放大器的电路损耗，同时，采取电源脉冲调制的方式，尽量减少调制脉冲的前后沿。
3.降低分配合成器的电路损耗。选择介质损耗小的介质基片、减少传输线的长度。以减少合成网络的电路损耗，最后的2合1合成器采用低损耗的同轴一波导合成器。
参考文献
[1] 郑新等译，微波固态电路设计（第二版），电子工业出版社，2006.
[2] 李跃锋，一种x波段固态功率放大器火控雷达技术，2006.