一种L波段固态功放的设计

张红英 沈晓唯 杨晶晶 雒寒冰 张理正

摘要：本文介绍了一种L波段20W固态功放的设计方案，包括功能组成、微波模块和电源模块的设计、功耗分析等。给出了该功放的关键指标测试值，对设计结果进行了验证。

关键词：固态功放；L波段；设计

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）06-0147-02

真空管、固态功放都可实现微波信号的放大。真空管主要适用于高功率场合，固态功放因其工作电压低、质量轻体积小，适用于几百瓦以内的中等功率需求。目前，在通信、遥测、雷达等领域，高功率、高效率、小型化、性能优良的固态功放已经有了广泛的应用。本文所述固态功放用于发射系统的前级驱动，为配合整机需求而研制。文中采用了已经成熟并广泛使用的砷化镓FET管放大器，其具有噪声低、相位线性度好、动态范围大、效率高、稳定可靠、供电简单、体积小、重量轻、适合批量生产等优点。

1 功能与主要技术指标

1.1 功能要求

功放具体功能如下：（1）放大输入的发射信号；（2）提供输出信号功率遥测；提供功放温度遥测。

1.2 主要技术指标

频率范围：中心频率f0±8MHz；

输入功率：-10dBm±3dB；

输出功率：≥43dBm（20W）；

输出信号谐波抑制：≥55dBc；

输出信号杂波抑制：≥60dBc；

输出信号带外抑制：≥40dBc；

额定电压：25V～31V；

设备功耗：不大于80W。

2 方案设计

功放由微波模块和电源模块两部分组成。微波模块的主要功能是：（1）放大射频信号；（2）提供功率检波电平；（3）抑制谐杂波。电源模块的主要功能是：（1）为微波放大链路提供电源；（2）把检波电平放大到系统所需功率遥测电平范围；（3）温度遥测功能。

2.1 微波模块设计

微波模块作为功放核心组件，实现对输入功率放大、功率遥测等功能。微波模块由电调衰减器、线性放大电路、功率放大电路组成、耦合检波电路及直流放大电路组成。隔离器能改善输入、输出端口驻波和提高抗负载失配能力。

微波模块的工作原理：输入功率为-10±3dBm的微波信号，通过微波模块将功率放大至43.3dBm左右，经隔离器隔离后输出。输入通过隔离器与电调衰减器，电调衰减器的衰减量由输入信号经放大后的耦合检波电平控制，使固态功率放大器在输入功率改变和溫度改变时，放大器放大后的信号输出功率保持基本不变，放大器最后经由隔离器输出，输出功率为43.3dBm，链路的最大增益大于54dB。放大链路由四级放大器组成，第一级为放大器模块，第二、三、四级为GaAs FET管。输出端接隔离器提高功放抗失配能力，有效保护功放组件。耦合检波电路将耦合所得信号线性检波为直流电平，经运放驱动放大后为整机提供实时输出功率检测。

2.2 电源模块设计

电源及控制电路主要实现功放电源保护、浪涌抑制、电源滤波、二次稳压、功率遥测、温度遥测等功能。

电源模块的工作原理：将整机输入一次母线电压稳压至+9.5V，正电压为微波放大链路供电，经二次稳压后为功率遥测电路供电。通过运放将功率检波电平放大至要求范围，提供功率遥测电平；配备热敏电阻，方便整机对功放内部温度检测。

2.2.1 电源保护

为防止功放电源短路导致损毁整机电源，在功放供电端添加电源保护电路。电源保护电路原理见图1。

由图1可见，熔断器F1和F2具有相同额定电流，由于F2中串联限流电阻R，使F2支路具有较大抗电冲击能力。当负载发生瞬间过流时，F1首先熔断，F2可继续维持通路。

2.2.2 浪涌抑制

考虑到DC-DC会在开启的瞬间产生较大的浪涌电流，所以必须在一次母线上增加浪涌抑制电路，电路原理见图2。

如果直接给DC-DC模块加电启动，很大的浪涌冲击会给一次母线造成影响。通过慢启动电路，使电路中开关管缓慢打开，可以抑制巨大的冲击电流。

2.2.3 电源滤波

电源转换模块的作用是将一次电源电压转换为各级放大管可使用的电压。根据电源需求，选择了Interpoint公司的电源滤波器与电源转换模块。

2.2.4 功率遥测

微波模块中耦合检波器输出功率检测电平，经功率遥测电路放大后为整机提供实时功率检测。采用运放7F158进行放大。

2.2.5 温度遥测

选用MF501型热敏电阻。

2.3 功耗分析

功放的功耗主要由微波模块的功耗及DC-DC的功耗构成。稳压电源将一次电源稳压至+9.5V，作为微波模块的漏极工作电压。微波模块采用放大器模块以及GaAs FET管，各器件的总功耗为60W，电源模块效率按80%，则总功耗为75W，功耗满足任务书要求。

3 关键指标测试情况

技术指标测试情况如表1所示，关键技术参数均满足技术要求。

4 结语

本文主要从固态功放的组成、工作原理、微波模块电路设计、电源模块电路设计、功耗设计等方面对L波段20W功放进行分析。该固态功放经测试，关键性能指标均满足技术指标要求，工作稳定。

参考文献

[1]廖承恩.微波技术基础[M].西安电子科技大学出版社，2005.

[2]美）路德维格.射频电路设计——理论与应用[M].科学出版社，2008.

[3]郑新.新型半导体功率器件在现代雷达中的应用研究（Ⅰ）[J].半导体技术，2009，34（09）：828-832.

[4]郑新.新型半导体功率器件在现代雷达中的应用研究（Ⅱ）[J].半导体技术，2009，34（10）：937-941.

Abstract：This paper introduces a design scheme of L band 20-watt Solid-state Power Amplifier，including function composition、design of mocriwave module and power module，power consumption analysis. In this paper，the key test value of the amplifier is given，and the design result is verified.

Key words：solid-state power amplifier； L band； design