Ka频段固态功放设计方案

Ka频段固态功率放大器技术设计方案

-50W功率放大器技术指标：

1．Ka波段10W

10W-50W

技术指标项目数据备注频率范围29~31GHz或25~27.5GHz可按需要的定制输出功率(P1dB)10-50W(40dBm-47dBm)

最大安全输入功率+10dBm

线性增益≥50dB-55dB

增益调节范围20dB(步进1dB)数控衰减增益平坦度(25℃)峰峰值≤0.5dB任意40MHz频段增益变化(工作温度内)≤±1.0dB

AM/PM变化≤3°/dB P1dB回退3dB 杂散≤-60dBc在P1dB输出二次谐波≤-60dBc在P1dB输出群时延变化线性≤0.04ns/MHz

任意±3MHz带内

抛物线≤0.006ns/MHz

峰峰值≤2ns

24小时时延变化≤1ns

驻波比输入: 1.3:1

输出: 1.5:1

保护功能过反射保护,过热保护,过流﹑过压保护

远控监控串口Ethernct网口

两路RF输入开关

接口形式RF输入:K(两路)(或WR-28两路)

RF输出:WR-28

RF输出耦合口(耦合度-40dBc);K-阴

供电220VAC±10%,47~63Hz

工作模式1:1模式或1:2模式

工作温度-50~+60℃

存储温度-55~+85℃

功放使用环境室外:温度:-50~+60℃

湿度:0~100%(无冷凝)

海拔高度:<2000m

其它要求防雨淋,防盐雾(室外机)

MTBF>20000小时

2．功放设计框图：

例如一个Ka频段P1@dB输出10W框图：

3.波导内空间功率合成放大器技术实施方案

3.1功率合成放大器电路结构

在雷达、电子干扰和通信发射机中，经常需要使用具有较大输出功率的放大模块。在毫米波频段，由于单个固态器件的输出功率非常有限，要获取系统所需输出功率电平就必须采用功率合成技术。固态功率合成放大器相对磁控管、行波管等电真空器件而言，除具有可靠性高，体积小、重量轻、交调特性好、功耗低、维护费低、直流电压低、对人员更安全等优点外，还能在一路或几路放大器出现故障的情况下保证系统继续工作而不会完全失效，只是在性能上有所下降，即所谓的“故障弱化”特性。

下图为目前微波固态功率合成技术的分类。

在分类图中，空间功率合成和准光合成技术是20世纪80年代提出的一种毫米波功率合成方法，在80年代后期和90年代被人们所重视并广泛地加以研究。它主要分为四大类，即：由W.Lothar等人提出的准光功率合成技术，由K.Cahng以及T.Iton等人提出的自由空间功率合成技术，由Amir Mortazawi等人提出的采用开槽波导的自由空间功率合成器以及由A.Alexanian和R.A.York 提出的波导内空间功率合成技术。对于本项目拟采用的波导内空间功率合成技术，功分/合成电路形式的选取是技术方案是否可行的关键。

由微波网络理论可知，凡是满足互易原理的功率分配器都可以反过来作为多路微波功率合成器使用。但是功率合成器的设计还必须考虑一些特殊因素，如高的功率电平以及合成器电路对驱动放大器稳定性的影响等。一般而言，对功率合成器有下列要求：

(1)合成器应当具有低的附加损耗，使得输出功率电平接近于各路输入功率

电平之和；

(2)合成器应当不改变各路放大器的可靠性、稳定性和信号特征；

(3)合成器各输入端口应当具有足够的隔离作用，使得各路放大器互不影响；

(4)合成器的输入端和输出端应当具有较低的电压驻波系数;

(5)合成器有足够的功率容量。

在毫米波频段通常以波导作为传输或测试的标准媒介，因而人们优先选用波导基空间功率合成器，而不采用同轴或平面结构。这种采用在波导内部的封闭式功率合成器能够消除或减少由于采用自由空间功率合成方法而可能遇到的绕射损耗、聚焦误差、难于散热、以及输入/输出隔离差等问题，而且还能为有源器件提供良好的散热特性并具有实现模块化功率叠加的潜力。

波导基的空间功率合成器电路结构首先以韩国人在24GHz的频率上实现的1.6W和3.3W的输出功率，其合成效率达到83%的功率放大器模块为基础，并逐步拓展为多层托架平面结构，也就是将标准波导切分成各层相同的托架，将其组合后形成一种等效传输波导，在每层托架上安装有源放大电路而组成一个功率放大电路单元。在波导主传输模式工作条件下，功率合成在等效波导结构内进行。利用波导－微带的多路渐变鳍线或槽线过渡结构，来完成功率分配的任务，再通过有源功放组件分别对各支路功率进行放大，进而由对称的多路渐变鳍线或槽线－波导过渡结构实现功率合成输出。

下图是韩国Nai-Shuo Cheng等人在X波段(其波导尺寸为23mm×10.2mm)所设计的4×6Tray阵列，通过叠放6层放大单元，每个放大单元安置有4个放大器芯片，使得总输出功率达到120W(50.8dBm)。

这种结构虽然合成能在矩形波导物理尺寸允许的条件下，通过扩展托架数目来获取可以容纳更多的MMIC器件，而且对于总的合成效率响几乎可以忽略不计。但随着托架数目的增加，托架间的热阻加大，其散热特性将随之恶化；而且每个托架可用的物理尺寸减小，对加工精度的要求也更为苛刻。这种结构的功率合成器的主要特点可以概括为：

(1)有较高的合成效率，在一定范围内，合成效率与所用合成器件的数目几

乎无关，适合多器件大功率合成输出的场合。

(2)采用优化设计的渐变鳍线或槽线阵列来完成功率分配或合成任务，能够

保证良好的宽带性能和系统的输入输出所需的隔离度。

(3)采用托架式结构构成等效标准矩形波导，并可通过增加托架数量来拓展

其合成功率容量。

(4)在合成系统中，各个托架为一个相对独立的工作单元，所有单元电路均

为并行工作，从而有良好的“故障弱化”特性。

结合现有的工艺水平及实验条件，在参阅了大量国内外的相关资料并进行对比分析，最终拟采用波导基的空间功率合成器结构方案，即利用双对极鳍线将输入、输出矩形波导过渡到微带，实现四路空间功率合成。