Ku波段多级功率放大器的研制

1 多级功率放大器级联的种类

放大器级联的种类一般有三种：
（1）放大器之间加隔离器。这种方式首先将各级放大器分别调试匹配好，然后通过隔离器串联起来。这种方式的优点是级联后放大链基本上无需再调试，且工作稳定性好。缺点是系统造价相对高，体积、重量大。

（2）放大器之间不加隔离器直接级联。这种方式也是首先将各级放大器分别调试匹配好，但在连接时不加隔离器。这种方式比较折衷，在通信系统和一些低成本收发设备中常常使用。它对体积的要求不大，但直接级联后，根据情况需要作一定的再调试。

（3）放大器之间共用匹配电路。其特点是前一级放大器的输出匹配电路和后一级放大器的输入匹配电路是共用的，即，将前一级固态功率器件的输出阻抗直接匹配到后一级固态功率器件的输入阻抗。这类方式的优点是节省体积、重量，但设计困难、调试风险大、极易损坏固态功率器件。这种级联方式在MMIC（Monolithic Microwave Integrated Circuit）中较常见。

综合三种级联的优缺点及系统对功率放大器体积的要求，选择第三种级联方法。这种方法难度高，要求放大管的参数准确，匹配电路准确。

2　功率放大器的指标

功率放大器的指标如下：工作频率为17．7 GHz～18 GHz；增益≥23 dB；输出功率P（1 dB）≥19 dBm；功率起伏≤1 dB；输入输出驻波比≤2．5；尺寸为25mm×20 mm。

3　功率放大器管芯选取

系统要求功率放大器增益大于25 dB，输出功率19 dBm。选用Alpha公司的功率放大器管芯AF08P2－000。该管芯的参数如下：典型工作状态Vds＝5 V，Ids＝140 mA；8．5 GHz增益9 dB；1 dB功率压缩点24dBm。该管芯的源极已经和背面的金属通过通孔连接在一起，所以，使用时只需将背面的金属直接接地就可以，不需要再将源极与地连接。

4　功率放大器的设计

Alpha公司提供了放大器管芯的典型工作状态的S参数。S12很小，所以可以使用单向化设计方法。将上述S参数作为一个黑匣子（black box）代入到AnsoftSerenade中设计电路。使用S参数电路只能设计电路的匹配电路，而不能加偏置电压，但由于设计一般放大器最关心的是放大器的匹配电路（高功率非线性放大器则需要大信号模型）。设计时将偏置电路部分也设计在电路中，这样设计出来的电路只要滤波性能好，则影响不大。借助于Serenade中匹配工具可以得到三级放大器的大致框架。然后进行优化，得到了最终电路，见图1。

 
图1中，C表示电容；T表示“T”形结；O为开路微带线；R为扇形偏置微带线；G为地；L为电感。

上述电路中隔直电容采用Alpha公司的芯片电容SC04701518，电容值大小47 pF，插损小于0．05dB，尺寸：0．457 mm×0．457 mm。电容安装方法如图2所示。

5　功率放大器的性能分析

图3是功率放大器的增益曲线图，在所需的频带内，放大器的增益均大于27．5 dB。

功率放大器的输入输出驻波比也是一个重要的参数。它影响放大器前后电路的性能。功放的输入输出驻波比曲线如图4所示，在频带内驻波比最大为2．2。

6　功率放大器的板图

功率放大器如图5所示。尺寸：21 mm×17 mm。为了便于调试，电路采用双电源供电。滤波器采用扇形偏置、电感（隔射频信号）以及大小电容（滤除射频信号及电源纹波）。

7　功率放大器电路的整体布局

放大器屏蔽盒宽度A是个关键尺寸，必须满足

式中，λH是工作频段高端频率的波长。如果不满足上式，在盒内就可能产生波导型传播。在电路中微带线的开路端、跳变、分支线等不均匀处都会产生微波辐射。电磁场将以波导模形式在盒内空间传播。当反向传播的波构成正反馈时，就出现频带内增益平坦度变坏，在某些频率点上出现尖峰。反馈过强时，还容易出现自激振荡。

为满足公式，在频率较高时，盒子宽度可能很小，比如工作在17．7 GHz的放大器，盒子宽度最大允许8．4 mm，而计算出的功率放大器电路宽度为17 mm，此时偏置电路将无处安放。通常的解决方法有两种：一种方式是把偏置电路阻容元件放置在微带基板反面；另一种方式将微带电路设计在槽宽A的内盒中，宽度满足截止波导公式的要求。在宽度为B的两条外侧盒槽中设置偏压电路各元件，馈电引线可在中间纵向隔板开槽孔或用穿心电容引入。

这两种方法对本系统都不适用。本系统两面都布上微带线，所以第一种方法不适用；由于本放大器的难度高，可能需要调试，如果采用第二种方法的话，调试肯定不方便。所以，采用金属隔板的方法来隔离射频电路与偏置电路。使微带电路宽度A满足截止波导公式的要求。采用这种方法，调试时可以根据需要将隔板移开或插上，操作很方便。另外，级间的隔离也采用加上金属隔板的方法。三级功率放大器实物图如图6所示。

8　功率放大器的测试结果及结论 

研制出的功率放大器测试结果如下：

在17．7 GHz～18 GHz频率内，该功率放大器输出功率大于20 dBm，输出功率起伏小于1 dB。见图7。

图8为功率放大器的增益曲线，在17．7 GHz～18GHz内，该功率放大器的增益大于26 dB。

另外，该放大器的输入输出驻波比在工作频率范围内小于2．4。

测试结果表明，该功率放大器性能满足指标要求。