X频段固态功率放大器的设计与实现

　　摘要：功率放大器是数传发射机中的关键部件，它制约整个系统性能。采用集成电路与分立元件相结合的设计思想，依据功率放大器的匹配理论对电路部分进行设计，采用微波电路仿真软件SERENADE对电路进行了仿真与优化。经测试，功放的工作频段为7.9~8.3GHz,线性增益大于34dB,驻波系数小于1.5,1dB压缩点的输出功率大于40dBm。当输入QPSK调制信号码速率为300Mbps时，通过功放后的恶化量不大，满足技术要求。通过具体电路实现，验证了设计方法的正确性及可行性。

　　0 引言

　　功率放大器（powerampliferPA），其主要作用是将需要发送的信号放大到一定的功率电平再经天线后以无线方式发送到空间，其输出功率、工作带宽以及驻波比等技术指标是功率放大器的主要指标。目前，工作频率在4GHz以下波段固态功放应用较为广泛，在4GHz以上C波段和X波段大功率发射机功放仍以行波管为主。由于发射机的固态化具有高可靠性、长寿命、重量轻、体积小等优点，因此越来越受到卫星通信领域技术人员的高度重视，因其核心部件是固态功率放大器，因此研制X波段固态功放对研制X波段全固态发射机有重要意义。

　　在PA的设计和实现过程中，需要完成的设计工作主要是：增益分配、输入输出及级间的匹配、直流偏置电路设计。为了提高设计的准确性，减少设计周期，采用微波电路CAD软件SERENADE对电路进行了电路设计，仿真与优化。

　　主要完成的调试工作是自激的消除和要求的输出功率以及幅频特性。在测试过程中针对技术指标要求对功放部件进行了认真测试，并输入QPSK调制信号（码速率为300Mbps）经功率放大后测量其调制误差的恶化程度，以考核功放性能的优劣。

　　1 放大器的设计

　　1.1 主要技术指标

　　工作频率： X 频段

　　工作带宽： ≥300 MHz

　　输出功率： ≥10 W

　　功率增益： ≥34 dB

　　输入输出驻波比：≤ 1. 5

　　三阶交调： 优于30 dB

　　杂波抑制： 优于50 dBC

　　传输码速率： ≥300 Mbps

　　1.2设计方案与电路形式选择

　　依据技术指标要求并考虑到设备的小型化、模块化，功放的设计方案采用与国际上一致的流行做法，即前级用MMIC集成电路获得增益，末级采用分离式结构以获得需要的功率。电路形式采用广泛使用的微带结构形式以便于集成，其框图如图1所示。

图1放大器组成

　　为实现增益大于34dB的要求，放大器前级的增益要尽可能地高，因此选用了富士通公司的FMM5057VF作为第一级。FMM5057VF是MMIC芯片，输入输出内匹配，工作频率为7.7~8.5GHz,其增益典型值为26dB。第二级主要是从输出功率进行考虑，为了能够满足指标，后级采用了P1dB大于40dBm的富士通公司的FLM7185场效应管。为了避免自激及保护功放芯片，输入输出均加了隔离器，输入端选用成都泰格公司的G602EV微带式隔离器，其插损<0.3dB,隔离度>23dB,通过功率>5W。输出端选用成都泰格公司的TGG502B71N隔离器，其一端FD型穿墙微带，一端为N50K型接头，可以完成与功放和测试设备的连接。其插损<0.3dB,隔离度>23dB,通过功率为20W。

　　1.3电路设计与仿真

　　为了使晶体管能够工作在良好的匹配状态，需要设计合适的源阻抗和负载阻抗与晶体管及电路部分进行匹配。

　　一般情况下微波测量设备为50Ω系统即使用的微波信号源及终端负载为50Ω,因此输入及输出匹配电路均需要向50Ω方向进行匹配。在相同的特性阻抗下，微带线的长度与宽度取决于基片的厚度及相对介电常数，ROGERS4350B高频电路板，其相对介电常数εr=3.48,厚度H=0.762mm,铜箔厚度1oz。用传输线计算工具可算得在所需工作频段上50Ω的传输线宽度约为1.74mm,其宽度适中，方便与输入输出引脚焊接，长度可以根据需要更改，1/4波长约为5.5mm。本设计采用小信号S参数法设计功率放大器，将两个芯片的小信号S参数文件导入到仿真软件SERENADA中，对匹配电路进行整体仿真与优化，得到容易实现的电路结构，其仿真结果图2所示。在所需工作频率，增益大于34dB,驻波系数小于1.5,带宽大于300MHz。

图2匹配电路整体仿真结果

　　1.4偏置电路设计

　　晶体管作为有源器件，需要合适的直流电源进行偏置，以达到其所需的工作点。偏置电路的作用是在将直流馈入晶体管的同时，不对电路上的射频信号传输产生不良影响，避免射频信号从偏置电路泄漏出去，因此偏置电路中要加入滤波电容滤除干扰，正压Vds及负压Vgs通过g/4的高阻抗馈入以防止射频信号的泄露。

　　1.5PA版图

　　最后PA电路图的尺寸为105mm×70mm,输入输出均为50微带线。

　　2 测试结果

　　2.1 幅频特性

在网络分析仪（AgilentE8363B）上测试后得到，在