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S波段超宽带固态功率放大器的研制
摘要: 本文结合一款新研制的S波段超宽带固态功率放大器,介绍了超宽带固态功率放大器的设计理论和方法,根据***化镓场效应晶体管的小信号S参数和I2V曲线,用微波仿真软件对功率管的输入、输出阻抗匹配电路及其偏置电路进行优化仿真设计。通过制作并测试此放大器,验证了该设计方法的可行性。最后,给出了测试数据,它在2GHz~4GHz的频带范围内,输入功率为40mW时,输出功率大于20W,。
关键词: 超宽带, 固态功率放大器, 平衡放大器
引言
微波固态功率放大器在雷达和电子对抗等领域有着广泛的应用,随着雷达技术发展,对固态放大器提出了更高的输出功率和更大瞬时带宽的要求。实现超宽带放大器的常用电路形式主要有以下几种:
(1)分布放大器,在这种形式中,级联多个带串联电感的FET,可在多倍频程内获得良好性能,但需要很多小型FET,研制过程中工艺复杂,调试困难;
(2)负反馈放大器,在FET的漏极和栅极之间加介入一个串联的RL反馈,这种形式改善了输入输出匹配,并通过降低低频增益改善了稳定度,可在多倍频程内获得良好性能,但在大功率应用时,反馈用的任意阻值的功率电阻不易得到;
(3)平衡放大器,平衡放大器由两个宽带3dB 耦合器和接于其间的两个放大器组成,输入的3dB 耦合器起功率分配作用,将输入信号分成相位差90°的两个信号送给两个放大器,输出的3dB耦合器起功率合成作用,将两个相位差90°合成输出。
与前两种电路相比,平衡放大器电路有许多优点,由于输入、输出的3dB 电桥由于两路输入信号相位差90°,当两路反射型的放大器接于其间时,反射功率相互抵消,从而保证功放模块具有低的输入、输出驻波系数,使得各个功放模块之间不用加隔离器就能方便的联接起来,平衡放大器的输出功率比单管输出功率增加3dB。另外,由于目前能够实现超宽带工作的功率器件的输出功率有限,要实现大功率输出,只能采用多管合成的方式实现,因此,本文介绍的超宽带固态功率放大器采用平衡电路结构形式,它在2GHz~4GHz的频带范围内,输入功率为40mW时,输出功率大于20W ,。
1 超宽带固态放大器的组成和工作原理
本超宽带固态功率放大器由三级放大电路组成,主要组成框图和各级增益分配如图1所示。前两级都采用平衡放大器电路结构,由输入、输出3dB电桥和接于其间的两个单端放大器构成,输入功率经过3dB电桥分两路加至两个放大器,经放大后再由3dB电桥组合起来输出。第三级由四个和第二级一样的功放模块合成得到。1/4功率分配器和4/1功率合成器分别由三个3dB电桥组成。
图1 S波段超宽带固态功率放大器组成框图及增益分配

来自频率源约16dBm的射频激励信号经第一级的2W功放模块放大后输出大于2W,再经第二级8W功放模块放大输出大于8W,经1/4功率分配器分别激励4个8W功放模块,最后经4/1功率合成器合成,输出大于20W。
2 电路设计
本放大器全部采用模块化设计,主要的设计内容有2W功放模块、8W功放模块、3dB电桥的设计,下面分别给予介绍。
2. 1 2W 功放模块的设计
2W功放模块的输入功率为16dBm,输出功率要求大于2W,采用平衡放大器电路结构,由输入、输出3dB电桥和接于两者之间的两个放大