陈坤

摘要：本文介绍了一种X波段800W脉冲功率放大器的设计，以砷化镓GaAS、氮化镓GaN功放管构成微波固态放大链路，采用分支线定向耦合器进行四路功率合成，使得放大器增益大于59dB，输出功率大于59dBm。

关键词：X波段  脉冲调制  功率合成  GaAS  GaN

1  引言

在雷达系统中，微波功率放大器是其中不可缺少的组成部分，在雷达、卫星、飞船、电子对抗等系统中有着广泛的应用，是现代无线通信的关键设备，随着雷达技术的不断发展，研制小型化、高功率和高可靠性的微波功率放大器，对于国防及民用需求具有重要意义。

本文介绍了一种X波段脉冲功率放大器的设计，通过调漏方式实现脉冲调制，以GaAS、GaN功放管构成微波固态放大链路，采用分支线定向耦合器进行四路功率合成，实现800W的功率输出。

2  方案设计

2.1  主要技术指标

设计的X波段脉冲功率放大器的主要技术指标为：工作频率9370MHz±50MHz，输入功率0dBm，输出功率不低于800W，上升沿不高于200ns，下降沿不高于100ns，顶降不高于10%，脉宽不高于150us，占空比不高于10%，供电电压±15V、+11V。

2.2  功率放大器整体设计

放大器将输入的0dBm射频信号放大到800W以上，即输出功率到59dBm以上，总增益59dB以上，各级增益分配见图1和表1所示。

2.3  元器件的选型

射频隔离器是一个有单向传输特性的二端口器件。在信号放大电路中，加入隔离器可以改善功率放大器及其激励放大之间的匹配，以防止放大器自激。隔离器1工作频率为9GHz～10GHz，插损≤0.2dB，隔离度≥20dB，承受功率10W（CW）。隔离器2工作频率为9.25GHz～9.5GHz，插损≤0.3dB，隔离度≥20dB，承受功率100W（CW）。

限幅器一般置于射频输入前端，使入射功率被限制在安全的范围之内，以防止功率敏感器件被烧毁。限幅器工作频率为2GHz～12GHz，插损≤0.5dB，限幅输出功率为18dBm，最大承受功率为5W（CW）。

滤波器在电路和电子高频系统中有较好的选频滤波作用，并能抑制频带外无用信号及噪声。滤波器采用腔体滤波器，通带频率为9320MHz～9420MHz，带内插损≤3.0dB，带外抑制为：DC～9270MHz≥36dB，9470MHZ～10000MHZ≥36dB。

温补衰减器为无源器件，无失真、无相移和时延，将温补衰减器置于功率放大器前端，可以补偿功放管在环境温度下的增益不平度。温度衰减器衰减量为2dB，负温度系数，温度系数为-0.005dB/dB/℃。

放大器1工作频率为6GHz～12GHz，增益23dB，饱和输出功率33dBm，漏极电压为+25V，电流为100mA，栅极电压为-2.5V。放大器2工作频率为9GHz～11GHz，增益21dB，饱和输出功率39dBm，漏极电压为+9V，电流为1050mA，栅极电压为-0.74V。放大器3工作频率为9GHz～10GHz，增益13dB，饱和输出功率48dBm，漏极电压为+25V，电流为2400mA，栅极电压为-2.6V。放大器4工作频率为8.5GHz～9.8GHz，增益10dB，饱和输出功率54dBm，漏极电压为+50V，电流为11800mA，栅极电压为-2.5V。

2.4  分支线定向耦合器的设计

分支线定向耦合器由主线、副线及两个耦合分支线组成，分支线的长度及其间距均为中心频率的四分之一波长，分支线与主线、副线是并联的。分支线定向耦合器工作频率为9370MHz±50MHz，插损≤0.3dB，相位差，印制板采用Rogers5880，εr=2.2，H=0.508，T=0.035mm，仿真曲线见图2所示。

2.5  脉冲功放的调制设计

脉冲功放用于无线发射系统的末级功率放大，将调制脉冲信号放大到所需的幅度。在传输脉冲信号时，希望在无脉冲信号时，功放管不工作降低功耗，在有脉冲信号时，功放管能马上正常工作放大信号，因此脉冲功放与连续波功放相比，多了上升沿与下降沿的要求。脉冲功放的调制一般有调栅和调漏两种方式。

栅极调制：功率管可以通过改变栅极电压使其功率管的漏电流夹断，此时功率管处于非工作状态，通过栅极电压的快速改变（从工作态到非工作态）实现功放的调制。由于功率管的栅极电流一般在10mA以下，电流比较小，开关驱动电路比较容易处理，通过合适的电路设计便可以得到很快的上升沿和下降沿。但栅极调制也有相当大的弊端，即当栅极进入截止区后，如果电路设计不合理，很容易使功放管进入击穿区，从而使功率管击穿而损坏。

漏极调制：通过改变功率管的漏极电压，从0V（非工作状态）到正常工作电压VDS（工作状态）的快速变化，从而实现功放的调制，漏极调制相对于栅极调制更安全，但功率管在工作状态一般有较大的电流，几安培甚至几十安培，当电流较大时，瞬间将功放管电压提高到功率管正常工作电压VDS需要相当的时间，加电瞬间功率器件相当于非常大的电容，而给电容充电到VDS需要时间，从而增加功放上升沿、下降沿的时间。

本文功放设计采用漏极调制方式，在功放管漏极供电电压上加入高Q、高容值大电容，该电容能进行预先储能，当漏极电压从0V到VDS快速变化时，能缩短时间，从而减小功放上升沿、下降沿的时间。漏极调制原理图见图3所示。

2.6  供电设计

功放供电电压±15V、+11V，±15V主要给开关、控制器件、功放管栅极进行供电，+11V主要给功放管漏极供电。功放管漏极电压为+25V、+9V、+50V，其中+25V、+50V需进行DC/DC升压处理，+9V需进行降压处理，DC/DC电源模塊选择NiQor公司NQ60W60QTX25型号，输入电压范围9V～60V，输出电压范围0V～60V，平均电流20A。

3  结论

本文采用漏极调制方式实现功放脉冲控制，以获取较低的上升沿、下降沿，同时通过分支线定向耦合器实现X波段功率合成技术，使功放增益大于59dB，输出功率在800W以上。

参考文献

【1】微波集成电路设计.顾其诤.项家桢.彭孝康 .人民邮电出版社

【2】射频与微波功率放大器设计.张玉兴.赵宏飞译.电子工业出版社

【3】微波电子线路.雷振亚.谢拥军.西安电子科技大学出版社