Ku频段微波功率放大器的设计

内，可能的话要尽量远离工作频率。本设计中利用管子
的压块将一个长的腔体分割成三个小腔体，各个腔体的
尺寸及谐振频率情况见表 2。
表 2 腔体尺寸及谐振频率
腔体尺寸
谐振频率（GHz）
a×b×l
(mm×mm×mm) TE101 TE102 TE011 TE012 TE201 TE202
14×8×23
12.5 16.9 19.9 22.8 22.4 25.1
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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2）噪声小。电路尽量使用无耗网络，特别是Fra Baidu bibliotek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。
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：
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。
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。
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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
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
图 １ 偏置电路仿真图
图 ２ 结构装配示意图
表 3 模块初始测试数据
频率 GHz
1.45 1.47 1.49 1.51 1.53 1.55
输入电平 dBm 8
8
8
8
8
8
输出功率 W
2.5
3
2.2 2.7
2
1.5
功率增益 dB 26 26.8 25.4 26.3 25 23.8
从表 3 可以看出，输出功率达不到要求，增益也偏
板材。
３．３ 腔体结构设计
腔体（屏蔽盒）结构设计，是微波放大器设计过程的
一个重要组成部分。其目的是要避免放大器的腔体产生
波导模式振荡及其它的寄生高频振荡，使放大器工作稳
定可靠。如果放大器的腔体尺寸选择不当，则可能会在
工作频率范围内产生衰减尖峰或振荡，这是由于腔体的
谐振效应引起的。
放大器的腔体大致是一个矩形腔，其长、宽、高分别为
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：
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.
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
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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。
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 ：
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)
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
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。
图 ７ 典型三阶环频率响应仿真 处的杂散抑制达 42.08dB。高阶环系统在更宽的环路带 宽下，实现了更高的带外杂散抑制。
６ 结束语
在频率合成的实际运用中，特别是在高频情况下， VCO 的近端相噪往往较鉴相器的基底或晶体振荡器的 相噪差，而高阶环在较宽环路带宽的情况下又能保持较 高的杂散抑制度的特性，对实现相噪优良而杂散抑制度 又高的高质量本振信号具有重要的意义。同样在 DDS 做 参考信号，后接 PLL 的结构中，利用高阶环较高的带外滚 降斜率对 DDS 的近端杂散也将起到更好的抑制作用。
４ 电路的仿真
电路初步设计完成后，最好是用微波设计软件仿真
一下电路的性能。由于功放管已经内匹配到 50 欧姆，因 此仿真的目的主要是检验偏置电路对微波传输信号的 影响。图 1 为用 ADS 软件对偏置电路进行仿真的结果。
以上只是对微带电路进行仿真，结构腔体的效应在 ADS 中没法考虑进去，这是此软件的一个不足之处。但 通过仿真，可以排除电路板设计中的缺陷，具有指导意 义。如果要仿真腔体效应，则需要使用专业的电磁场仿 真软件（如 HFSS 等），并进行结构件的建模，比较复杂， 在此不作陈述。
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。
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))
Minimum Phase Margin Goal 45.000
SpurFreq[0] 4.000M
Phase_Margin_at_UgainFreq 54.833
Maximum Phase Margin Goal 60.000
Spur Attenuation Goal, dB 75.000
Atten_at_SpurFreq 42.08
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)