S波段固態(tài)功率放大器的仿真設計

1 引言

微波功率放大器作為發(fā)射機單元中至關重要的部件在許多微波電子設備和系統(tǒng)中廣泛應用，如現(xiàn)代無線通信、衛(wèi)星收發(fā)設備、雷達、遙測遙控系統(tǒng)、電子對抗等。傳統(tǒng)的大功率放大器用真空管來實現(xiàn)，隨著半導體器件的不斷發(fā)展，固態(tài)器件的優(yōu)勢不斷明顯，微波固態(tài)功率放大器具有體積小、工作電壓低、穩(wěn)定性高、良好的可重復性等優(yōu)點在許多領域倍受青睞。本文研究的是S波段的大功率固態(tài)放大器，輸出功率是180W的連續(xù)波，工作頻率為2.0GHz到2.3GHz，功率增益大于13dB，增益平坦度小于+/-1.0dB，1 dB增益壓縮點處的輸出功率為50dBm，飽和輸出功率大于53.4dBm，功率附加效率大于48%。

2 匹配電路的設計

由于功率放大器工作于非線性，小信號放大器的網(wǎng)路設計方法不再適用。本文要研究的是180W大功率放大器，放大器的輸入輸出阻抗隨著頻率和輸入功率的變化而變化，通常有三種分析方法來分析匹配電路：動態(tài)阻抗法、大信號S參數(shù)法和負載牽引法。

動態(tài)阻抗法它要求大信號工作狀態(tài)下的動態(tài)輸入、輸出阻抗（也稱最佳負載阻抗）。動態(tài)阻抗測試原理是，用調(diào)配器將功率管調(diào)配到最大功率輸出狀態(tài)，然后分別測出從信號源向功率管輸入端看去、從負載向輸出端看去的阻抗，其阻抗值即為動態(tài)輸入、動態(tài)輸出阻抗；大信號S參數(shù)可以進行功率放大器的功率增益、穩(wěn)定性的分析和增益、平坦度的設計。同時，利用大信號S參數(shù)設計功率放大器時，除了應根據(jù)輸出功率的大小選擇負載阻抗外．還可以根據(jù)絕對穩(wěn)定條件和潛在不穩(wěn)定條件兩種情況分別進行考慮。大信號S參數(shù)的測量比較困難，通常采用雙信號法或大電流直流擬合法來測大信號S參數(shù)；負載牽引法它要求給出對應各種不同的輸出功率、功率增益和效率等參數(shù)的不同數(shù)據(jù)，由計算機進行綜合設計。其設計系統(tǒng)較為復雜。

通常對于大功率晶體管而言，廠家多給出功率晶體管道動態(tài)輸入、輸出阻抗，故匹配網(wǎng)絡設計也采用動態(tài)阻抗法來進行設計，實驗也采用動態(tài)阻抗法來設計匹配網(wǎng)絡。接下來就以此為依據(jù)來設計匹配電路，本設計中單片功率放大管給出的是動態(tài)輸入輸出阻抗，其值為復數(shù)。阻抗匹配網(wǎng)絡設計的核心思想是將頻率范圍內(nèi)的輸入輸出阻抗匹配到50W阻抗附近，在阻抗園圖上，即將輸入輸出阻抗匹配到阻抗圓圖的中心附近。如果對于串聯(lián)功放管設計功率放大器的話，級間匹配也是很重要的，一般是實現(xiàn)共軛匹配，并且在實際情況可以采用多種方法比較，選擇比較合適的匹配電路來設計。

3 功率合成技術

微波射頻功率放大器由于工藝，設計線性度、工作狀態(tài)的限制，單管的輸出功率很難滿足設計要求，因此必須采用多管并聯(lián)的方式來合成功率滿足設計要求。功率合成器有兩路合成器、多路合成器、鏈式合成器之分。一般功率合成采用兩路合成器，常用于功率合成的兩路功分器有：WILKSON功分器、3dB正交功率合成器、反相推挽功率合成器。影響合路器合成效率的主要因素包括合路器輸入、輸出阻抗匹配狀況（輸入輸出電壓駐波系數(shù)）、幅度、相位不平衡度、插入損耗，以及各路之間的相互隔離度等。功率合成器將各模塊射頻輸出電壓相互疊加，并把所有模塊輸出功率的總和減去合成器的損失傳送到單個端口?？梢杂迷S多功率合成－分配結構，并且它們都顯示出某些不同的特性，通常，功率合成器的要求如下:

（1）合成器應具有低的插入損失，使得發(fā)射機的功率輸出和效率不受影響；

（2）合成器在端口間應具有射頻隔離，使得故障模塊不會影響剩余工作模塊的負載阻抗或功率合成效率；

（3）合成器應能給放大器模塊提供一個可控的射頻阻抗，使得放大器的性能不致降低；

（4）合成器的可靠性應遠高于其他發(fā)射組件的可靠性；

（5）功率合成器終端負載承受功耗的能力應足以適應任一種放大器故障組合；

（6）合成器的機械封裝應便于模塊的維修。封裝也應給放大器模塊與合成器之間提供短、等相位和低插入損失的互連。

本設計采用的為3dB正交功率合成，平衡放大器由兩個相同的放大器A和B通過兩個3dB電橋并聯(lián)連接，其中輸入、輸出電橋分別用作功率分配器和功率合成器。3dB電橋的直通端口與耦合端口間的耦合度為3dB，相位差為90度。因此，在平衡放大器的輸入、輸出端放大器A和B的反射信號相位相差180度而相互抵消，所以理想平衡放大器的輸入、輸出駐波比(VSWR)等于1。由此可知，平衡放大器的駐波系數(shù)(VSWR)僅由3dB 90度電橋的性能決定，與分立放大器性能無關。放大器A和B的正向傳輸信號在平衡放大器的輸出端口相位相同，放大器A和B的輸出信號在輸出電橋的輸出端口同相相加。