6～18 GHz 固态功率放大器的研制

6～18 GHz 固态功率放大器的研制
作者：薛强等
来源：《科技创新与生产力》 2018年第3期
摘要：目前，测控行业对工作频率大于X波段的大功率固态功放需求越来越大，特别是工
作频率为6~18GHz的大功率全固态功放。

本文研制并设计了一种6～18GHz超宽带固态功放，采用功率合成技术，该固态功放使用4路威尔金森功分器结构作为功率分配和合成单元，采用中
国电子科技集团公司第十三研究所10W裸片作为放大芯片，最终末级实物尺寸为
70mm×50mm×10mm。

实测表明：在6～12GHz工作频带内，饱和输出功率大于40W，在12～
18GHz工作频带内，饱和输出功率大于25W，功率附加效率大于15.8%。

关键词：固态功放；功率合成；宽带；6～18GHz
中图分类号：TN722文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2018.03.078
随着半导体技术的发展，基于第三代半导体材料GaN可制作出输出功率更大，工作频率更宽、更高的功率芯片，这为宽带大功率固态功放的实现提供了可能[1-2]。

在测控行业，提高测试系统的饱和输出功率、带宽一直是其追求的目标。

过去，为实现这一目标，常采用行波管作
为测控系统的功放模块，但行波管具有使用寿命短，故障率高，且体积较大的缺点，而固态功
放与其相比，可以很好地克服这些问题。

目前，在某些测控产品中，用相同性能的固态功放来
代替行波管取得了不错的效果，但对于工作频率超过X波段的超宽带固态功放仍是设计难点[3]。

本文介绍了一种固态功率放大器（以下简称功放）的设计过程，该固态功放工作频段为
6～18GHz，采用4路威尔金森功率分配器（以下简称功分）进行功率分配和合成。

功率芯片采
用中国电子科技集团公司第十三研究所研制的GaN裸片。

1功率合成理论
目前，单个裸片饱和功率的限制，如工作频段为6～18GHz的功率管，国内外单管最大输出功率不超过30W[4]。

固态功放要实现更大功率输出，常采用的技术便是功率合成技术。

功率合
成是先利用功分单元将输入信号等分为若干路信号，再经过多路放大，最后将放大后的信号通
过合成单元进行功率合成的一种技术[5]。

功率合成不断追求的是尽可能地提高合成效率，定义合成效率为
η=Pout/（nPin）.（1）
式中：Pout为放大器的实际输出功率；Pin为放大器的输入功率。

影响合成效率的主要因素有参与合成的n路信号幅度和相位的一致性。

理论上幅度和相位
一致性越好，合成效率越高，在幅度和相位差为零时，合成效率为100%。

因此在实际中采用同
一批次，相同工作状态的放大器能很大程度提高功放合成效率。

一般要求参与合成的n路放大
器间幅度差小于1.5dB，相位差小于30°。

同时合成单元的插入损耗也是影响合成效率的一个
主要因素，合成单元插入损耗越小，合成效率越高，因此在实际中为提高功放的合成效率，应
采用插损尽可能小、幅度和相位一致性好的合成单元。

2功分、合成单元仿真设计
本文采用两级一分二威尔金森功分来实现
4路功分和合成，其中4路合成器由3个结构相同的2路合成器级联而成，对于每一个2路合成器，可以等效为由50Ω变换为100Ω，阻抗变换比为2的阻抗变换器，查文献[6]中表11.2-3（3节切比雪夫1/4波长变换器的最大电压驻波比），采用3节切比雪夫1/4波长变换器结构可以实现6～18GHz带宽，同时可得各节的归一化偶模阻抗值为
Z1o=1.14966.（2）
Z3o=R/Z1o=1.73964.（4）
由奇偶模关系Zoe·Zoo=1，可求出对应的归一化奇模值为
Z1e=0.86982.（5）
Z2e=0.70711.（6）
Z3e=0.57483.（7）
为了减小插损，笔者采用介电常数为2.2，厚度为0.508mm的RT5880板材，使用电磁三维
软件HFSS进行仿真建模，得到HFSS模型（见图1）。

从仿真结果图2和图3可见功分器插入损耗均小于6.2dB，且4路合成器基本相同，除端
口1回波损耗小于-17dB外，其他4路合成器端口回波损耗以及隔离度均小于-20dB。

3芯片偏置电路
芯片的偏置电路是影响功放芯片能否正常工作的关键，合适的偏置电路不仅能消除电路自激，而且还能起到一定的滤波和去耦作用，同时能为功放芯片提供一定的静态工作点，而选取
不同的静态工作点，又影响到芯片的饱和功率、效率、线性度、增益等指标。

本设计采用中国电子科技集团第十三研究所研制的P10芯片作为末级芯片，该芯片采用
GaN工艺制作而成，采用双电源供电，典型漏极电压为
+28V，典型栅极电压为-1.8V，在该条件下饱和输出功率值大于10W。

本文共采用4支该裸
片进行功率合成。

图4为P10芯片静态偏置电路图，其中与漏极相连的电容之间采用2根或3根金丝或一根
金带进行金丝键合，与栅极相连的电阻和电容之间采用
1根金丝进行金丝键合，输入端口和输出端口分别采用2根和3根金丝与50Ω匹配线相连。

4研制结果
采用4路合成方式研制的6～18GHz固态功放尺寸为70mm×50mm×10mm，其实物见图5。

其测试曲线见第80页图6，从图6可知：在连续波工作状态下，该固态功放在6～12GHz 频段范围内，饱和输出功率大于40W，在12～15GHz频段内，饱和输出功率大于33.1W，在15～18GHz频段内，饱和输出功率大于26.3W，同时整个功放链路增益大于40dB，功率附加效率大于15.8%。

5结束语
本文利用中国电子科技集团公司第十三研究所10W裸片，采用4路威尔金森功分器为功分和合成单元，研制了一款6～18GHz固态功放，该功放在连续波工作条件下，其低端饱和功率大于40W，高端饱和功率大于25W，功率附加效率大于15.8%，该功放可用于更大功率系统的一个单元模块，在项目中应用良好。

参考文献：
[1]李涛.X波段高功率宽带放大器设计[J].电子科技,2017,
30(7):136-138.
[2]王淼,李涛,宋俊魁.6～18GHz宽带50W功率放大器的
研制[J].舰船电子对抗,2017(4):103-105.
[3]朱海帆,党章,李凯.Ka波段200W线性固态功放设计[J].
微波学报,2012,28(3):51-55.
[4]KIMJ,PARKH,LEES,etal.6-18GHz,26WGaN
HEMTcompactpower-combinednon-uniformdistributed
amplifier[J].ElectronicsLetters,2016,52(25):2040-2042.
[5]叶韬.毫米波固态功率合成技术研究[D].成都:电子科技
大学,2012.
[6]唐汉.任意节数切比雪夫阶梯阻抗变换器的计算机辅助
设[J].南京大学学报(数学半年刊),1989(2):267-287.
（责任编辑石俊仙）。