Ku频段微波功率放大器的设计

1）优化放大器屏蔽盒体的尺寸，避免产生自激； 2）功放管的馈电设计，需要考虑减小馈电电路对微 波信号传输的影响； 3）由于微波功放管基本上是 GaAs 器件，对漏极和 栅极的加电次序有严格的要求，需要设计合理的时序控 制电路，以免烧毁放大管。
３ 设计过程
３．１ 设计目标
Ku 频 段 放 大 器 的 设 计 指 标 如 下 。 工 作 频 率 ：
低。通过分析，有以下几方面的原因：
1）传输线连接处的处理不够精细，对射频信号的影
响较大；
2）馈电高阻线的长度偏长，使输出功率最大频率点
偏低，需进行微调；
3）功放管的输入 / 输出阻抗非理想的 50 欧姆，级联
时有一定程度的失配，需适当调整匹配电路。
经过调试，输出功率和增益都有了明显的提高，测
试数据见表 4。
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通信对抗
２００９ 年第 ２ 期
Open and Closed Loop Amplitude Responses
dB(Vout_Open_Lp)
m1 freq=327.3kHz dB(Vout_Closed_Lp)=3.088
dB(Vout_Closed_Lp)
freq, Hz
关键词：微波功率放大器；腔体；偏置电路
De s ign of Ku Ba nd Microwa ve P owe r Amplifie r
YANG Xian-song
(No.36 Research Institute of CETC, Jiaxing, Zhejiang 314033, China)
Abstract: Microwave power amplifiers have wide applications in the fields of satellite communications, radar and electronic countermeasures. The design technology of solid- state microwave power amplifier is one of frontier- technologies in electronic countermeasures. Based on an example of the design of a Ku band power amplifier, the design method of utilizing a sealed power amplifying tube and the test results are represented in the paper.
５ 电路制作和测试
设计完成后，就可以进行结构件和电路板的加工。 图 2 为结构装配示意图，上半部分为微波电路，下半部 分为电源电路。微波电路的腔体由管子压块分为了三个 腔，完成了信号输入和输出之间的空间隔离，提高了放 大电路的稳定性。
加电测试后的结果如表 3 所示。
dB(S(2,1)) dB(S(1,1))
本文通过一个 Ku 频段放大器的设计实例，介绍了 如何用封装的放大管来设计微波功率放大器，并给出了
收稿日期：２００８－１２－２５
总第 １０６ 期
杨贤松：Ｋｕ 频段微波功率放大器的设计
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试验结果。
２ 设计要点
根据工作频率的不同，放大器设计的方法也不同。 在短波和超短波频段，工作波长远远大于放大器的几何 尺寸，因此电路都是用集中参数元件来设计，可以忽略 分布参数的影响。随着工作频率的提高，分布参数的影 响越来越大，到了 1GHz 以上，电路基本采用微带电路 的形式。而 Ku 频段的工作波长只有 20mm 左右，印制 板及盒体尺寸对电路性能的影响非常大，需要重点考 虑。在设计微波功率放大器时，有以下几点注意事项：
1）损耗小。在工作频带内呈现的纯电阻要小，且不 能使频带内的高频能量沿馈电电路泄漏出去；
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通信对抗
２００９ 年第 ２ 期
2）噪声小。电路尽量使用无耗网络，特别是在放大 器的前几级；
3）反射小。即对主传输线的附加驻波要小，有利于 放大电路的级联。
偏置电路有无源偏置和有源偏置两种电路形式，无 源偏置电路一般是由电阻、电容等无源元件及微带线构 成，结构简单。缺点是当工作温度变化较大时，功放管的 工作点会发生漂移，影响放大电路的性能。为了稳定工 作点，可以在偏置电路中加入 BJT 等有源器件，构成有 源偏置电路，但电路结构会复杂一些。一般功率放大器 都有较好的散热措施，而且微波电路的几何尺寸小，大 多使用无源的偏置电路。
14.5~15.5GHz；输入功率：10dBm；输出功率：5W；效率：15%。
根据设计要求，可以选择 EXCELICS 公司的 RF-
MA1216- 2W 和 EID1416- 8 作为放大器件，其技术参数
如表 1 所示。
表 1 放大管型号参数
型号
RFMA1216- 2W EID1416- 8
工作频率 (GHz)
l，a，b，并满足 l＞a＞b 的条件[1]。产生串联谐振的条件为：
l
= pλg0 /2 =
p 2
λ0 姨1- (λ0 /λc)2
（1）
其中，λ0 为谐振波长，λg0 为对应于谐振波长的波导波
长，λc 为截止频率。
姨姨 姨 姨 姨 姨 姨 λ0 =
2
n a
2
+
m b
2
+
p l
2
（2）
式（2）表明，矩形腔的谐振波长除了决定于腔体尺
12.5~15.5 14~16
输出功率 (dBm)
33 39.5
增益 (dB)
28 6
工作电压 (V)
7 10
由表 1 可知，两管级联后输出功率为 39dBm，增益 34dB。为提高放大器的稳定性，在输入、输出及中间各加一 个隔离器，每个隔离器的损耗约为 0.5dB。这样，放大器的最 终输出功率为 38dBm，总增益 32.5dB，符合设计要求。
３．５ 电源电路设计
一般微波频段的放大管都是用 GaAs 场效应管，工作 电压 10V 左右，栅极加负偏压。其加电次序为：上电时先栅 极加负偏压，再漏极加正电压；断电时则相反。如果加电次 序不对，又没有限流措施，就会烧毁功放管。因此电源电路 的设计是微波放大器设计中的一个重要组成部分。
能实现加电时序控制的电路有多种，设计者可根据 需要选择合适的电源电路。２００来自 年第 ２ 期 ·总第·１０６ 期
通信对抗 ＣＯＭＭＵＮ通ＩＣＡＴＩＯ信Ｎ ＣＯＵ对ＮＴＥＲＭ抗ＥＡＳＵＲＥＳ
Ｎｏ．２ ２００９ ２００９ 年Ｓｕ第ｍ．２１期０６
Ku 频段微波功率放大器的设计
杨贤松
（中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴 314033）
摘 要：微波功率放大器在卫星通信、雷达、电子对抗等领域有着广泛的应用，固态微波功放的设 计技术属于电子对抗的前沿技术之一。通过一个 Ku 频段放大器的设计实例，介绍了如何用封装的放 大管来设计微波功率放大器，并给出了试验结果。
Keywords: microwave power amplifier; cavity; bias circuit
１ 引言
微波功率放大器是卫星通信、雷达、电子对抗等系 统中的主要设备，伴随着半导体技术的不断发展，新材 料、新工艺的运用，使用微波晶体管作为放大器件的固 态微波功放技术已日趋成熟。固态微波放大器相对于行 波管放大器具有小体积、高线性、高可靠性及低噪声等 优点，因此将固态放大前级和行波管末级进行组合，是 目前大功率微波放大器的主要设计形式。如在现代大 功率雷达系统中，放大器的前级基本采用了固态放大电 路，既满足了高增益、低噪声等指标要求，又因固态放大 电路体积小，不需要高压电源，可以减小发射机的体积； 而末级行波管可以输出很大的功率。在相控阵雷达系统
本设计选用法国 Neltec SA 公 司 的 NY9220- 0015
偏置电路，又称为馈电电路，是微波电路设计中的 重要一环。特别是到了 C 波段以上后，功放管基本上是 内匹配到 50 欧姆，可以在 50 欧姆系统中进行直接的级 联。因此，微波电路的设计在很大程度上是偏置电路的 设计。偏置电路的设计应满足以下要求：
中应用的 MPM 模块，则是将固态激励和小型化的电真 空器件封装在一起成为一个基本放大单元，可以在宽频 带范围内输出百瓦级的功率。
微波功率管是固态放大电路的核心器件，其内部由 多个管芯合成并进行封装。到 Ku 频段以上，封装对管 子性能的影响越来越大，放大器大多采用微波单片集成 电路（MMIC）来设计。尽管 MMIC 体积更小，但对电路的 设计及加工工艺有很严格的要求，如微组装工艺、金丝 焊接工艺等，而国内的许多厂所并不具备这些条件。因 此在输出功率不大的情况下，用封装的功率管来设计放 大器是个不错的选择。
16×8×32（2 个） 10.5 13.3 19.3 21 19.3 21
由表 2 可见，在工作频段 14.5~15.5GHz 范围内没有谐 振频率点，离工作频率最近的谐振频率模式为 TE102 模。
３．２ 选择电路基板
３．４ 偏置电路设计
电路基板是微波信号的传输媒介，其物理特性对放 大电路的性能有直接的影响。电路基板的参数主要有： 介电常数、介质损耗、介质均匀度、介质及铜表面的光洁 度等。微波信号因其波长短，对介质的要求很高。一般国 产印制板的特性不如进口的材料，特别是在介质均匀性 和光洁度方面，推荐使用欧美厂家的成熟产品。
寸 a、b、l 外，还决定于 n、m、p，每一组 n、m、p 值代表一
种震荡模式。理论上矩形腔有无穷多个震荡模式，设计
时应使腔体的最低谐振频率高于工作频率。
在 15GHz 时，为提高最低谐振频率，矩形腔的宽边
长要小于 9mm，工程实现上存在困难。此时只有降低谐
振频率，但必须保证各次谐振频率不落在工作频带之