在通信和雷達(dá)系統(tǒng)中， 功率放大器是極其重要的組成部分， 隨著軍用， 民用系統(tǒng)的迅猛發(fā)展， 對(duì)功率放大器的研制也提出了更高的要求。脈沖功率放大器廣泛用于脈沖雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)、遙測(cè)等各種領(lǐng)域。作為其關(guān)鍵元件， 其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試、測(cè)試都是關(guān)鍵技術(shù)。

本文考慮到上述因素， 按照系統(tǒng)指標(biāo)要求， 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種擁有200W 輸出的功率的脈沖功率放大器。系統(tǒng)采用三級(jí)放大級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)， 第一級(jí)采用擁有較高增益的低功耗驅(qū)動(dòng)放大器， 第二級(jí)采用增益和功率都適中的功率放大器， 末級(jí)采用平衡式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較大的輸出功率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

功率放大器設(shè)計(jì)指標(biāo): 頻帶2. 3 GHz- 2. 4 GH z，增益47 1. 5 dB， 脈沖寬度8 ??s、占空比1% ， 脈沖輸出功率200W， 回波損耗15 dB， 28 V供電電壓。

系統(tǒng)選用三級(jí)放大模式， 電路結(jié)構(gòu)圖如下。按照

進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)匹配， 在保證回波損耗達(dá)到指標(biāo)要求的情況下， 盡量使用最大增益法設(shè)計(jì)， 即源和負(fù)載均與二端口網(wǎng)絡(luò)共軛匹配。

圖1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)指標(biāo)要求， 輸出脈沖功率為200 W ( 約53 dBm) ， 系統(tǒng)增益為47 dB， 所以要求第一級(jí)放大器能夠承受至少功率為6 dBm 的輸入信號(hào); 第二級(jí)需要選用增益與輸出功率都適中的功率放大器; 末級(jí)放大器的輸出端要承受53 dBm 的輸出功率， 為了保證電路的正常工作， 實(shí)際的最大輸出功率要比指標(biāo)要求功率大。

1. 1 各級(jí)功率放大器的選取

本系統(tǒng)第一級(jí)選取擁有較高增益的低功耗驅(qū)動(dòng)放大器HMC414。該放大器在頻段上的增益接近20 dB， 最高的輸出功率為30 dBm， 可承受10 dBm的輸入功率。該放大器外圍電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 需5 V的供電電壓， 電流為300 mA， 有較好的回波損耗， 效率為32% 。如圖2 所示， V 為5 V 的直流電壓， 由28 V 電壓經(jīng)過分壓和穩(wěn)壓器后得到。V cc為5 V，R 為電位器， 根據(jù)元件的參數(shù)要求， 需要通過調(diào)節(jié)電位器來保證兩個(gè)輸入端的電壓為3. 6 V 左右。電感L 為18 nH， 作為高頻扼流。電容C1 作用為隔直，C 2 C6 去除噪聲和干擾。TL1 ~ TL3 為50歐姆特征阻抗的微帶線。經(jīng)過調(diào)節(jié)， 第一級(jí)放大電路的實(shí)際增益約為18 dB， 輸出功率約為24 dBm。

圖2 第一級(jí)功放電路圖

第二級(jí)功率放大器需要承受功率約為24 dBm的輸入信號(hào)， 并具備比較高的增益和輸出功率。本系統(tǒng)選取MRF6S23100功率放大器。該放大器為AB 類， 在頻段上的增益接約15 dB， 最高的輸出功率為50 dBm，標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)下需28 V的供電電壓， 電流為1 000mA，Vgs = 2. 8V， 效率為23. 5%。電路如圖2所示， 漏極為28 V 的供電電壓， 由電壓轉(zhuǎn)換器和電位器得到2. 8 V柵極電壓， R1 為10 、1 /8W的片狀電阻， 用來控制電流，保護(hù)電路。實(shí)際電路中在漏極多設(shè)置了一個(gè)電感用做高頻扼流。輸入和輸出線路上的電容C1 和C7 起隔直作用， 其他電容( ??F級(jí))去除噪聲干擾。參數(shù)匹配通過微帶線完成， 使增益和回波達(dá)到指標(biāo)要求。實(shí)際電路的第二級(jí)輸出功率為39 dBm。

圖3 第二級(jí)功放電路圖。

系統(tǒng)輸出脈沖功率為200W， 但為了保證第三級(jí)功放擁有良好的線性度、溫度穩(wěn)定性、可靠性使用， 其輸出功率一般保持在最大功率的三分之一到二分之一左右。因此， 末級(jí)功放采用平衡式結(jié)構(gòu)以滿足要求， 使電路最高輸出功率在300W 以上。本系統(tǒng)選取MRF6P23190作為末級(jí)功放。該放大器為AB類， 在頻段上的增益接約14 dB， 最高的輸出功率為190W， 標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)下需28 V 的供電電壓， 電流為1 900mA， Vgs = 2. 8 V， 三階交調(diào)為37. 5 dBc， 效率為23. 5%。圖4 為單路的末級(jí)功放電路圖，MRF6P23190本身由是兩個(gè)放大器合成而來， 供電電壓為28 V， 由電壓轉(zhuǎn)換器和電位器得到2. 8 V柵極電壓。R1、R 2 為240 、1/4W 的片狀電阻， 用來控制電流， 保護(hù)電路。為實(shí)際電路中在漏極設(shè)置電感用做高頻扼流。輸入和輸出線路上的電容C 1 ~ C4 起隔直作用， 其他電容( uF級(jí))去除噪聲干擾。回波和增益的參數(shù)匹配， 功率的合成都通過微帶線完成。

圖4 末級(jí)功放電路( 單路)。

1. 2 平衡式放大電路原理

如圖5所示， 平衡式放大電路由兩個(gè)相同的3 dB電橋和兩個(gè)相同的放大管組成， Z0 為50 的電阻。根據(jù)3 dB電橋的傳輸特性， 在1端口輸入射頻信號(hào)經(jīng)過3 dB電橋后， 被平均分配到放大管T1 和T2 的輸入端口， 其中2端口的射頻信號(hào)超前3段端口!/2。由于兩個(gè)放大電路的特性完全一致， 那么放大管T1 和T2 反射的射頻信號(hào)的幅度將相同， 反射信號(hào)經(jīng)進(jìn)入3 dB電橋。

由于2端口的射頻信號(hào)超前3端口!/2， 按照3 dB 電橋的特性， 合成功率在4端口被電阻Z0吸收， 而在1端口沒有輸出。因此， 即使兩個(gè)放大電路在輸入端產(chǎn)生很大的反射， 在平衡放大電路的射頻輸入端也不會(huì)有射頻信號(hào)的反射， 實(shí)現(xiàn)了很低的輸入駐波系數(shù)。同理，經(jīng)過放大電路后的輸出信號(hào)會(huì)在放大電路的輸出端口功率合成， 而反射信號(hào)則被Z0 吸收， 可以大幅度的降低放大電路的輸出駐波系數(shù)。

圖5 平衡式放大器結(jié)構(gòu)原理圖。

平衡式放大電路比單端放大器具有更好的穩(wěn)定性和可靠性， 一旦一路壞掉以后， 放大器仍能工作， 只不過功率增益減小約6 dB。此外， 平衡放大電路容易實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)工作， 由于其輸入和輸出具有很低的駐波系數(shù)，所以便于前級(jí)電路和后級(jí)電路的獨(dú)立設(shè)計(jì)[ 6- 7] 。

本系統(tǒng)的末級(jí)輸入信號(hào)功率約為39 dBm， 經(jīng)過3 dB電橋后分成兩路36 dBm 的信號(hào)分別進(jìn)入兩路放大器中， 輸出功率約為50 dBm的兩路輸出信號(hào)，經(jīng)3 dB電橋后合成為53 dBm 的輸出信號(hào)。每路放大器承受100W 左右的輸出功率， 可以保證系統(tǒng)的可靠性， 穩(wěn)定性， 并延長(zhǎng)了放大器的使用壽命。此系統(tǒng)中， 在末級(jí)輸出端的3 dB電橋所接的負(fù)載要能夠承受較大的功率。

2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述理論和實(shí)際要求， 我們?cè)O(shè)計(jì)并繪制了PCB 版圖， 如圖6， 1為第一級(jí)功放HMC414， 2 為第二級(jí)功放MRF6S23100， 3為平衡式結(jié)構(gòu)的末級(jí)功放MRF6P23190。版圖采用雙層布線， 將射頻線和直流電源線分開， 并在在每級(jí)放大器之間設(shè)有隔離帶， 以降低干擾。

圖6 PCB版圖。

根據(jù)PCB 版圖， 我們制作了實(shí)際電路板， 如圖7所示， 板材型號(hào)為TLK 8， 介電常數(shù)為2. 55， 介質(zhì)厚度為0. 76 mm。其輸入輸出接頭為SMA 連接器。

如圖， 1為第一級(jí)功放HMC414，2為第二級(jí)功放MRF6S23100，3為平衡式結(jié)構(gòu)的末級(jí)功放MRF6P23190。

圖7 電路實(shí)物圖。

封裝好的系統(tǒng)如圖8 所示， 由于放大器散熱量較大， 下面需要安置散熱片。

圖8 封裝后的實(shí)物圖。

使用安捷倫公司的E5071B 型號(hào)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀測(cè)試系統(tǒng)的增益和輸入回波損耗。由于系統(tǒng)功率較大， 為保護(hù)測(cè)試儀器， 需要在系統(tǒng)輸出端增加一個(gè)30 dB的衰減器， 原理圖如圖9所示。

圖9 測(cè)試原理圖。

如圖10所示， 箭頭1和2分表示頻段起始和終止點(diǎn)， 儀器顯示放大器在指定頻段內(nèi)的增益為16. 5 dB ~ 18. 5 dB， 加上之前的30 dB 的衰減， 放大器在指定頻段內(nèi)的增益為46. 5 dB ~ 48. 5 dB， 滿足指標(biāo)要求。

圖10 系統(tǒng)增益測(cè)試結(jié)果。

如圖11所示， 箭頭1和2分表示頻段起始和終止點(diǎn)， 儀器顯示放大器在指定頻段內(nèi)輸入回波損耗為- 14. 5 dB ~ 20 dB， 滿足指標(biāo)要求。

圖11 系統(tǒng)輸入回波測(cè)試結(jié)果。

使用ROHDE&SCHWARZ功率計(jì)測(cè)量系統(tǒng)的輸出脈沖功率， 原理圖如圖12所示。

圖12 測(cè)試原理圖。

如圖13和圖14所示， 放大器在輸入脈沖信號(hào)功率為6 dBm 的時(shí)候， 輸出功率約為200W， 符合指標(biāo)要求。由于帶寬窄， 在指定頻段內(nèi)輸出功率變大不大。

圖13 輸入功率。

圖14 輸出功率。

3 結(jié)論

本文給出了可用于民用無線通信的200W平衡式脈沖功率放大器， 對(duì)系統(tǒng)的原理和方案設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹， 充分考慮到高功率， 高增益等主要技術(shù)指標(biāo)要求， 測(cè)試證明系統(tǒng)滿足指標(biāo)要求。系統(tǒng)的參數(shù)存在改進(jìn)的空間， 比如由于條件限制， 第二級(jí)功率放大器本身可承受的輸出功率遠(yuǎn)大于實(shí)際電路中的輸出功率，此處可以選擇功率較小的放大器來提高對(duì)其的利用率， 同時(shí)也減小了散熱。三級(jí)放大器之間的匹配電路也可以有進(jìn)一步優(yōu)化的空間， 以此來滿足更高指標(biāo)要求的系統(tǒng)。今后會(huì)在以上兩個(gè)方向做深層次的研究。