C波段60W固态功放偏置电路设计
偏置电路和分压式偏置电路
偏置电路和分压式偏置电路偏置电路和分压式偏置电路是电子电路中常见的两种电路。
它们都用于电路中的偏置设置，以确保电路的稳定性和可靠性。
在本文中，我们将先介绍偏置电路和分压式偏置电路的基本概念和原理，然后分别对两种电路进行详细的讲解和比较。
最后，我们将讨论偏置电路和分压式偏置电路在实际应用中的一些注意事项和常见问题。
一、偏置电路的基本概念和原理偏置电路是指在放大器电路中为了使放大器工作在最佳工作状态而设置的一个电路。
它的作用是使放大器的输出端在零输入信号的情况下保持在给定的稳定直流电平上，以便放大器对信号进行有效的放大。
通常来说，放大器的工作状态是由偏置电路来决定的，因此偏置电路的设计对整个放大器的性能起着至关重要的作用。
偏置电路的原理可以简单地理解为，通过合适的电路设计和连接方式，将直流电源的电压和电流通过一定的方式加到放大器的输入端和输出端上，使得放大器能够在正常工作的状态下进行放大。
如果没有偏置电路，放大器的输出端将无法保持在一个稳定的直流电平上，从而会引起输出偏移和信号失真。
二、分压式偏置电路的基本概念和原理分压式偏置电路是一种常见的偏置电路设计方式，它通常是采用电阻分压原理来设置放大器的工作状态。
通常的设计中，将电路输入端与输出端之间设置一个适当的电阻分压网络，通过这个电阻分压网络来将正常工作电压和电流加到放大器的输入端和输出端上，从而实现偏置电路的功能。
分压式偏置电路的原理非常简单，就是利用电阻分压网络来产生一个固定的电压，然后通过这个电压来设置放大器的工作状态。
通常来说，通过调整电阻分压网络的参数，可以轻松地实现对放大器工作状态的控制。
三、偏置电路和分压式偏置电路的比较虽然偏置电路和分压式偏置电路都是用来设置放大器工作状态的，但它们在实际应用中有着一些不同之处。
下面我们将对这两种电路进行详细的比较。
1.原理不同偏置电路通常是通过一个独立的电路来进行设置的，它的原理是通过一定的方式将直流电源的电压和电流加到放大器的输入端和输出端上，以保持放大器在正常工作状态。
ocl功放的偏置电路
ocl功放的偏置电路
OCL（Output Capacitor Less）功放是一种无输出电容的功放电路，其偏置电路与普通的功放电路相似，主要目的是将输出信号的交流分量偏置到集电极电压的中心点，以实现输出信号的增强。
OCL功放的偏置电路一般由以下几个部分组成：
1. 偏置电流源：偏置电流源用于提供定值偏置电流，比如使用电阻分压型电流源，通过电阻分压产生一个稳定的电流，以保持输出电流的稳定性。
2. 电压分压器：电压分压器用于将电源电压分压得到适合偏置电路的工作电压，一般通过电阻分压或者二极管分压来实现。
3. 偏置电压稳定器：偏置电压稳定器用于稳定偏置电压，一般使用稳压二极管或者稳压器芯片来实现，以确保输出偏置电压的稳定性。
4. 偏置电流调节器：偏置电流调节器用于调节偏置电流的大小，一般使用电位器来调节，可以根据具体需求来调整功放的工作状态。
综上所述，OCL功放的偏置电路主要是通过偏置电流源、电
压分压器、偏置电压稳定器和偏置电流调节器等部分的协调工作来实现对输出信号的偏置，以保证OCL功放的正常工作。
偏置电路原理
偏置电路原理
偏置电路是一种用于稳定放大器工作点的电路。
在放大器中，工作点是指放大器正常工作时的电压或电流值。
偏置电路的作用是确保放大器工作在合适的工作点，保证输出信号的线性放大。
没有合适的偏置电路，放大器的工作点可能会偏离理想的工作范围，导致输出信号出现失真。
偏置电路通常由电阻、电容和二极管等元件组成。
其中，电阻用于控制电流流过放大器的晶体管或管子，从而确定工作点。
电容则可以用于直流隔离，避免直流信号干扰。
二极管可以通过正向偏置或负向偏置的方式来稳定放大器的工作点。
偏置电路的实现主要有两种方式，即直流偏置和交流偏置。
直流偏置常用于直流耦合放大器，它利用直流电压将放大器的工作点稳定在所需范围内。
直流耦合放大器适用于频率较低的应用，如音频放大器。
交流偏置则主要用于交流耦合放大器，它通过耦合电容将直流偏置与交流信号分离，使放大器在频率较高的情况下也能保持正常工作。
在设计偏置电路时，需要考虑多个因素，包括电源电压、元件参数、温度等。
这些因素都可能对偏置电路的性能产生影响，因此需要进行合适的调试和测试，以确保偏置电路能够稳定地工作，并提供所需的放大功能。
总之，偏置电路是一种用于稳定放大器工作点的电路，通过合适的电阻、电容和二极管等元件组成，以确保放大器的输出信号能够得到准确的线性放大。
设计和调试偏置电路需要考虑多
个因素，并进行相应的测试和调整，以确保放大器在不同工作条件下都能正常工作。
C频段固态高功率放大器的设计
C频段固态高功率放大器的设计作者：李桢李绘勃来源：《中国科技博览》2013年第25期[摘要]本文采用1：1热备份和1+1相位合成两种工作模式方案设计了一种新的C频段320W固态功率放大器。
在5850—6425MHz频率范围内，最大饱和连续波输出功率高于320W。
合成效率达到80%以上，提高了设备的实用性和可靠性。
[关键词]相位合成固态功率放大器 C频段中图分类号：TN722.75 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0002-01一、引言高功率放大器是卫星通信系统中的核心部件。
固态功率放大器因具有体积小、供电电压低、使用寿命长等特点在卫星通信中得到了广泛应用。
但在某些特定的应用场合，由于固态功率放大器输出功率有限，往往需要采用功率合成技术，获得更大功率输出。
本文在综合考虑大功率与高效率因素后，设计了一种非常符合工程应用的高效功率合成方案，在C频段实现了320W连续波功率输出。
二、系统方案1.整机设计C频段320W固态功率放大器由两套200W固态功率放大器进行功率合成实现.同时具备1：1热备份和1+1合成两种工作模式，工作原理如图1所示：系统主要包括以下三个部分：200W固态功率放大器2部；移相器1个；微波合成输出网络（由隔离器、定向耦全器、波导开关和功率合成器组成的组合网络）1套。
C频段输入射频信号经功分器后一路直接送到固态功率放大器，另一路通过移相器将相位调整一致后送到另一个固态功率放大器，最后通过1：1和1十1工作模式的微波网络输出，实现1：1热备份200W和1+1合成320W两种工作模式的功率放大器。
2.微波合成输出网络设计为了提高整机的实用性和可靠性，提出了1：l热备份和1十1合成的两种工作模式设计方案，并采用由隔离器、定向耦全器、波导开关和功率合成器组成的的微波合成输出网络连接实现设计功能，如图2所示。
通过对波导开关的切换控制，实现不同的工作模式。
需要特别强调的是，当整机工作于1：1模式时，只有主用状态的固态功率放大器才有射频信号输出，热备份状态的功率放大器应关断射频信号输出。
C波段射频功率放大器的设计
107电子技术 半导体功率器件GaN 作为一种新型晶体管，其电子迁移率高、频带宽、击穿场强高以及功率密度大等特点，这使得其适用于高功率、高频率的功率器件。
宽频带半导体功率元器件被广泛应用于民用和军用的雷达、通信等领域，使电子信息系统的性能得到极大提升[1]。
本文利用了AgilentADS 仿真软件设计一种C 波段功率放大器，具有2.5G 的带宽，主要适用于无线通信、雷达等。
该C 波段功率放大器的技术参数为在4—6.5GHz 波段范围内，其输入功率为0dBm，输出放大功率为38dBm，带内波动范围为<±1dB。
1 射频功率放大器工作原理 对射频功率放大器进行总体设计时，结合功率放大器的输出功率、工作频带特点，先分级设计，而后再将各级级联的设计思路。
本文中设计的功率放大器模块设计为两级放大，以C 波段的功率放大模块EMM5078ZV 作为驱动级放大设计，GaN 功率管TGF2023作为功放级放大设计。
驱动级放大电路设计重在提高增益，并保证增益相应的平坦度；而功放级电路设计则侧重于输出功率的保障[2]。
2 射频功放器设计2.1 功放级设计 基于市场上提供的绝大多数GaN 射频功放管其厂商并未提供大信号模型，缺少DesignKit，因此，本设计中使用的GaN 功率管TGF2023其带内S 参数在数据文件中提供。
GaN 管的静态工作点（漏极电流和偏置电压、栅极偏置电压）通过直流偏置仿真确定。
通过对ADS 中场效应管直流仿真模板图的引入，同时增设二端口模型，将其导入S 参数的文件，并且将直流偏置仿真控件加入其中，最后确定VDS=28V 和IDS=0.5A 条件下的VGS 结果。
栅极偏置电压则通过仿真结果得到VGS=-1V，漏极电流0.535A。
通过将GaN 管封装参数导入输出匹配的电路中，从而使场效应管输出匹配电路得到优化，进而向输出电路提供可靠的负载阻抗。
因此，这就要求得到Cds 的参数值。
C波段固态大功率放大器的理论研究与设计
硕士学位论文
C波段固态大功率放大器的理论研究与设计
姓名:邢靖
申请学位级别:硕士
专业:电子与通信工程
指导教师:唐万春;商坚钢
20081209
C波段固态大功率放大器的理论研究与设计
5.学位论文李良朝S波段大功率固态放大器及径向波导功率合成器研究2007
本论文重点研制千瓦级S波段高功率微波固态功率放大器系统,工作频率2.0~2.3GHz,通过径向波导合成器合成6路200W固态功率放大器模块输出
1KW功率。
为实现该固态功率源,本论文对高功率微波固态功放的关键技术如宽带匹配技术、功率合成技术进行了讨论分析;对千瓦级微波固态放大器控制系统做出了详细的分析,给出了测量驻波、增益、温度、电流、功率等的电路图,设计了基于DSP的控制系统,为千瓦级系统成功构建打下坚实基础:利用场匹配理论推导了径向波导功率合成器的场表达式,导出了散射系数的矩阵方程,导出了导纳表达式,通过导纳转换即可获得S参数,为利用Matlab编程计算反射系数、传输系数、隔离度等奠定了基础;采用理论分析与仿真软件相结合的方法,设计出一个基于径向波导的功率合成器,CST软件仿真结果表明该合成器在驻波比小于1.1情况下,工作频率1.3-3.3GHz,合成效率达到96%,隔离度优于-6dB,功率容量1.5KW左右;调试了200W功率放大器,调试结果表明该放大器工作频率为2.0~2.3GHz,增益达到(14.2±0.5)dB,饱和输出功率达200W,最大功率附加效率达60%;加工测试了一个6路径向波导功率合成器,测试结果表明该合成器与仿真结果比较吻合,下一步改进加工工艺、减小装配误差后可以用于合成6路200W固态功率模块。
9.学位论文刘炜平面微波功率合成器的研究2007
本篇论文的研究对象为一种应用于毫米波(26~40GHz)段的宽带功率合成网络。作者首先,对各种经典的功率合成网络进行了详细的分析、对照,决定采用Wilkinson来实现毫米波宽带功率合成网络。其次,基于宽带Wilkinson理论,分别设计了单支节(经典的单级Wilkinson)、两支节和三支节
C波段固态功率放大器的分析与讨论
C波段固态功率放大器的分析与讨论摘要：c波段固态功率放大器的优点有：长寿命、低工作电压、故障软化等等。
基于此，越来越多的真空管被固态管取代。
因为c 波段全固态发射机的发展一直受到单管功率不足和居高不下的成本影响，所以相对于其他波段的固态功率放大器而言技术并不成熟。
文章研究的c波段全固态放大器是全固态发射机的基础。
文章将匹配电路用阻抗法的设计思想进行讨论。
然后，将阐述c波段固态放大器的设计和实验方法。
电视广播技术所应用到的偏置电路和脉冲调制电源以及控制保护电路等等是文章阐述和说明的内容，通过介绍上述电路，简单的了解和分析c波段固态功率放大器的基本特征与性质。
关键词：c波段；固态功率放大器；控制保护电路引言c波段固态功率放大器与微波功率器件的发展一直密切相关，新的微波功率器件的更新换代不断地带动雷达发射机技术逐渐成熟。
全固态发射机常用的微波功率晶体管主要包括两个方面：一类为硅微波双极晶体管，工作频率为s波段到短波波段，单管百瓦级功率，窄脉冲器件可达千瓦级。
另一种场效应晶体管（fet）。
1 功率放大器的工作类型与电路形式雷达在第二次世界大战之前就已经出现了，雷达发射机用标准的射频发射信号维持雷达系统的正常运转。
通过低频交流信号和射频信号的不断转换，雷达射频信号经馈线系统传输到输出端（即雷达天线部分），并在外接空间内继续传播，从而达到空间扫描的目的。
现代通讯雷达通过制定标准的通讯协议，即可在空间中实现信息交换。
雷达分自激振荡和主振放大两种不同的射频信号发射方式。
同时有电真空器件发射机和全固态发射机两种产生大功率射频能量的器件。
众所周知，放大器的主要性能决定放大器的工作类型。
放大器的工作点选择尤为重要，处在不同位置的工作点会决定放大器不同的工作状态。
分别为a、b、c三类。
a类：c波段固态功率放大器的工作特点是信号的导通贯彻整个周期始终，输出和输入信号保持线性关系[1]。
a类工作状态在零输入响应时，功耗仍然存在。
S频段60W功率放大器设计
1790 引言近几年,随着宽禁带半导体材料工艺的进步,GaN功率器件因具有宽频带、大功率、高效率、高散热以及抗辐照等优势而被越来越多的应用于相控阵雷达、无线通讯技术和航空航天等领域中[1]。
本文针对目前需求较大的S频段功放模块,遵循模块化和小型化原则,选用国外CREE公司的某款GaN HEMT,利用其大功率仿真模型设计了一款输出功率大于60W且具有环路增益控制功能的放大模块,具有较好的增益平坦度,不仅可满足相同功率量级的通用化需求,而且在更大功率的合成和相控阵组件应用中仍可广泛使用。
1 末级放大电路仿真与设计根据连续波使用需求,功率放大器工作在AB类可有效减小静态功耗,同时满足动态范围内的增益需求,通过扫描功率管的I-V特性曲线可选择合适的静态工作点。
如图1所示,该功率管静态工作点选取为Vds=28V,Ids=0.606A。
根据功率管的资料可选择最佳源阻抗和负载阻抗作为初始值,然后通过软件的负载牵引模板进行验证和调整,最终选择虚部尽可能小的阻抗值,该阻抗值需同时兼顾功率和效率,图2是在3GHz频点,输入功率为35dBm条件下的负载阻抗仿真结果,可以看出在负载阻抗为11.131-j*6.097时,功率管附加效率PAE为57.21%,输出功率为48.42dBm。
对于跨倍频程的宽带功放,微带匹配网络设计尤为关键,此处我们选择多节1/4波长匹配法,该方法的优点是根据指标需求可灵收稿日期:2020-03-11作者简介:陈创业(1987—),男,河北辛集人,研究生,工程师,研究方向:微波固态功率放大器。
S 频段60W 功率放大器设计陈创业(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄 050081)摘要:目前,固态功率放大器具有大功率、宽频带、小型化、高可靠性以及低成本等特点。
本文使用ADS的负载牵引技术对预匹配功率管进行匹配电路设计和优化,仿真结果显示单管输出功率大于40W。
90°表贴3dB电桥进行两路功率合成,最终输出功率大于60W,PAE不小于30%,增益平坦度优于±0.3dB。
C波段大功率直流偏置威尔金森功分器硕士论文
C波段微波功率放大器的设计和实现微电子学与固体电子学， 2011，硕士【摘要】随着当代无线技术的迅猛发展,无线技术已经深入生活和工作的每个角落。
微波功率放大器作为无线通信系统中的关键组成部分,其性能的好坏将影响整个通信系统的性能。
微波功率放大器在雷达和电子对抗中的应用越来越广泛,但是在国内微波功率放大器放的设计研究还处于起步阶段。
本文重点研究c波段微波功率放大器。
对微波放大器的关键技术进行了讨论分析,如匹配技术,功率合成技术,直流偏置技术。
采用理论分析与微波电路仿真软件相结合的方法,设计出一款基于GaAs HEMT的c波段三级微波功率放大器,包括使用ADS完成Wilkinson功分器/合成器和偏置电路设计,使用Autocad软件完成模具的设计,并将设计结果付诸实践。
论文从三方面对放大器的设计进行讨论:首先介绍了设计放大器需要的各领域的基础理论,然后讨论了本项目适合的设计方法,最后展示了放大器的实现过程。
基于功率要求设计出了合适的电路结构,选择适当元器件搭建电路,并采两路功率合成来提高放大器的输出功率。
采用先进的微波电路设计软件ADS对电路进行了优化和仿真,得到了大量的实验数据。
设计的三级GaAs微波功率放大器在5.5～6GHz频率范围内输出功率达到46dBm,增... 更多还原【Abstract】 In modern wireless communication,high powermicrowave amplifer is necessary and playing a criticalrole.Even the whole communication system will be affected by its performance. High power microwave power amplifiers are increasingly and extensively applied in radar and Electron Countermeasure while power amplifier design is still in initial stage in China.We place emphasis on C-band high power microwave power amplifiers design and realization in the thesis. We has studied some key issues such as ... 更多还原【关键词】C波段大功率；直流偏置；威尔金森功分器；【Key words】c band high power；DC biasing；Wilkinson divider/combiner；摘要3-4Abstract 4第一章绪论7-111.1 微波功率放大器研究的目的及意义7-81.2 微波功率放大器的研究动态8-91.3 本课题来源和研究意义91.4 本课题主要工作和内容安排9-11第二章微波功率放大器的基础理论11-222.1 二端口网络S 参数11-122.2 性能参数指标12-142.3 功率放大器的分类及特点14-162.4 阻抗匹配网络设计16-202.4.1 输入输出匹配电路17-182.4.2 级间匹配电路182.4.3 完全共轭匹配18-192.4.4 匹配网络实现19-202.5 微波功率放大器的设计要点20-22 第三章微波功率放大器的设计22-343.1 微波功率放大器的电路结构22-263.1.1 元器件的选择22-233.1.2 有耗匹配放大器233.1.3 平衡式放大器23-243.1.4 负反馈式放大器24-253.1.5 有源匹配式放大器25-263.1.6 单级和多级结构263.2 功率合成技术简述26-293.2.1 芯片级合成273.2.2 电路合成27-293.2.3 空间合成和准光合成293.2.4 混合合成/多级合成293.2.5 其他合成方式293.3 微带线的设计29-313.4 直流偏置电路31-323.5 腔体设计32-34第四章GaAs 微波功率放大器的设计和实现34-484.1 微波功率放大器的指标要求和设计方案34-374.1.1 设计指标344.1.2 电路构成和主要器件34-374.2 Wilkinson 功分/合成器设计37-424.3 直流偏置电路设计42-464.4 功率放大器的测试46-48第五章总结48-50致谢50-52参考文献。
星用c频段50w固态功率放大器设计
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀空间电子技术SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2020年第1期星用C频段50W固态功率放大器设计①陈伟伟∗,王㊀程,杨㊀章,罗㊀聃,刘家玮,杨㊀飞,汪㊀蕾(中国空间技术研究院西安分院,西安㊀710000)㊀㊀摘㊀要:为了满足通信卫星对于固态功率放大器高功率㊁高效率㊁高集成的要求,文章提出了一种星用C频段固态功率放大器的设计方法㊂首先通过采用半导体单片集成电路芯片,对射频电路进行创新性设计,将电调衰减㊁数字增益控制㊁功率放大等功能集成在一个模块中,实现功率放大器的高集成;其次,通过整机热设计,并结合红外热像仪测试,优化高功率氮化镓器件的散热途径,在实现整机大功率输出的同时,保证整机的高可靠应用;最后,对电源电路进行优化设计,使得固放电源具备高效率㊁高稳定的特点,为射频电路提供稳定的供电㊂温度循环㊁热真空等试验结果表明,所研制的C频段50W固放性能稳定㊁可靠性高,满足星载应用要求㊂关键词:C频段;固态功率放大器(SSPA);高功率;热设计中图分类号:V474㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1674-7135(2020)01-0018-05D O I:10.3969/j.issn.1674-7135.2020.01.004Design on C-band50W Solid State PowerAmplifier for Satellite ApplicationCHEN Weiwei,WANG Cheng,YANG Zhang,LUO Dan,LIU Jiawei,YANG Fei,WANG Lei(China Academy of Space Technology(Xi'an),Xi'an㊀710000,China)Abstract:To meet the high power,high efficiency,high integration requirements of communications satellite on solid state power amplifier,a design approach on C-band solid state power amplifier for satellite application was proposed.Firstly, the functions of electrically controlled attenuation,digital gain control and power amplifier are integrated in a single module, by using monolithic microwave integrated circuit(MMIC)chips and researching the microwave circuits deeply,to achieve the high integration of power amplifier.Secondly,heat dissipation simulation and thermal infrared imager measurements were performed,to ensure the reliability of the high power stly,the design of DC power circuits were optimized,to a-chieve the high efficiency,high stability characteristics,and to ensure the reliable power supply to the radio circuits.Thermal cycling and thermal vacuum measurements indicate that the produced C-band50W solid state power amplifier has sufficient reliability and satisfies the requirement of satellite application.Key words:C-band;Solid state power amplifier(SSPA);High power;Thermal design0㊀引言星载固态功率放大器是微波有源技术产品中最具代表性的产品之一,广泛应用于军用㊁民用卫星㊂随着卫星有效载荷技术的不断发展,系统对固态功率放大器也提出了更高的要求㊂尤其是通信卫星,要求固态功率放大器实现大功率输出的同时,兼顾线性度好㊁效率高㊁体积小等优点㊂在以往功能相对简单㊁转发器数量较少的卫星系统中,可通过简单地81①收稿日期:2019-06-24;修回日期:2019-12-21㊂基金项目:国家科技重大专项资助(编号:2017ZX01001101-018)㊂作者简介:陈伟伟(1989 ),工程师,博士㊂研究方向:微波功率器件可靠性研究,固态功率放大器(SSPA)设计㊂E-mail:cwwaw@增加功率部件数量并结合功率合成的方式来实现较大的功率输出㊂但由于输出需要进行功率合成,部件产品的体积和设计复杂度也随之提高㊂因此,大功率固态功率放大器的研制尤为重要㊂近年来,随着国内微波功率器件技术的不断发展[1-5],国产固放组件的研制也取得了很大的进步[6-7]㊂文章基于国产氮化镓微波功率器件,对C 频段射频电路进行集成化设计,实现固放产品的多功能㊁高功率㊁小体积,并通过优化高功率器件散热设计㊁电源电路设计等设计技术,实现固放产品的高可靠应用㊂1㊀方案设计C 频段50W 固态功率放大器由射频电路和电源电路两部分组成㊂射频电路主要将输入的射频信号进行多级放大,实现固放大功率输出,并具备过激励保护㊁数字增益控制㊁温度补偿等功能,同时提供整机输出功率遥测㊁增益档位遥测以及温度遥测等遥测信号㊂电源电路主要将输入的一次母线电压进行电压转换,为射频提电路提供必要的供电电压,并具备欠压保护㊁过流保护等功能,同时提供整机开关机遥测㊁母线电流遥测等遥测信号㊂1.1㊀射频电路设计C 频段固态功率放大器射频电路原理框图如图1所示,主要有增益放大㊁中功率放大以及高功率放大三部分构成㊂增益放大部分将低噪声放大㊁数字增益控制㊁过激励自动控制(ALC)以及温度补偿等功能集成一个模块中,具有高集成㊁小型化㊁多功能的特点㊂增益放大模块包含四级低噪声放大器和一级低功率放大器,实现模块90dB 的增益放大以及20dBm 的低功率输出㊂模块中的数控衰减芯片可以响应外部输入的增益加减指令,实现固放的增益数控功能㊂模块中包含四级电调衰减芯片,前两级电调衰减芯片与模块末级的功率检波芯片相结合,用于实现射频电路的过激励自动控制(ALC)功能;后两级电调衰减芯片与整机中的热敏电阻相结合,实现整机的增益温度补偿功能㊂中功率放大器以及高功率放大器均采用国产氮化镓内匹配功率器件㊂中功率放大器内部由两级放大器芯片组成,实现20dB 的增益放大以及10W 的中功率输出㊂高功率放大器内部采用大栅宽氮化镓管芯进行多胞合成,实现图1㊀C 频段固放射频电路原理框图Fig.1㊀Schematic diagram of C-band SSPA RF circuits1.2㊀热设计氮化镓微波功率器件功率具有高功率㊁高效率等优点[8-10],但由于氮化镓管芯功率密度较高,如果不能保证良好的散热,很容易导致芯片热烧毁㊂改善大功率器件散热主要从降低器件本身热阻以及改善整机散热途径两方面着手㊂为了降低器件本身热阻,本文采用热导率较高的铜钼铜材料作为管壳底座,采用可伐材料作为管壳边框㊂在芯片载焊时,将氮化镓管芯采用金锡焊料直接焊接到管壳上,将芯片热量有效地导入管壳㊂由于管壳底座面积较大,可采用螺钉紧固或载焊的方式将器件固定在整机中,将热量进一步散出㊂图2㊀高功率器件红外热像仪测试结果Fig.2㊀Thermal infrared imager measurements ofthe high power device㊀㊀为了对器件热设计进行验证,对研制完成的末912020年第1期陈伟伟,等:星用C 频段50W 固态功率放大器设计级高功率器件进行红外热像仪测试,测试结果如图2所示㊂器件测试条件为动态测试,器件的工作电压为28V,动态工作电流为4.4A,饱和输出功率约60W㊂红外热像仪的衬底温度为70ħ,此时测得器件的最高结温为135ħ㊂器件结壳热阻的计算公式为R c =(T j -T c )/(P dc -P out ),其中R c 为器件结壳热阻,T j 为器件结温,T c 为管壳温度,P dc 为直流功耗,P out 为输出功率,将测试数据代入上述公式可求得器件的结壳热阻约为1.03ħ/W,证明器件本身具备较好的散热能力㊂图3㊀固放整机热仿真结果Fig.3㊀Thermal analysis results of the SSPA㊀㊀在整机热设计方面,借助FLOTHERM 软件进行整机热仿真,合理设计整机布局,在保证整机良好的散热的情况下,兼顾整机重量㊂C 频段50W 固放热仿真结果表明,功率管正下方机壳厚度对整机散热影响较大,其余区域影响相对减小㊂因此,在实际设计时固放机壳中功率管正下方区域维持原始厚度,其余区域背面掏空达到整机减重的目的㊂图3给出了C 频段50W 固放优化后的整机热仿真结果,仿真温度按照卫星实际工作的最高温度55ħ进行设置,即在固放底板温度为55ħ㊁外部辐射温度边界也为55ħ条件下进行稳态计算㊂从图3可以看出,固放中高功率器件处温度最高,器件壳温约为76ħ㊂根据图2中器件结温测试结果可知,在器件饱和功率输出条件下,器件的结壳温升约为65ħ㊂由此可以计算出,在固放最高工作温度下,末级高功率器件的最高结温约为141ħ㊂氮化镓微波功率器件额定结温为225ħ,一级降额工作结温为160ħ,C 频段50W 固放满足宇航应用要求㊂图4㊀C 频段固放电源电路原理框图Fig.4㊀Schematic diagram of C-band SSPA power supply circuits1.3㊀电源电路设计图4给出了C 频段50W 固放电源电路设计框图㊂电源电路设有输入保护电路㊁开关机控制及欠压保护电路㊁浪涌抑制电路及EMI 滤波器㊂输入保护电路实现电源故障时与一次母线的隔离,保护母线的安全㊂+28V㊁+6V 和-5V 三路电源采用三个独立的DC /DC 变换器,+28V㊁+6V 内部包含辅助供电电路㊁控制电路㊁功率电路以及输出整流滤波电路㊂2空间电子技术2020年第1期其中辅助供电电路用于提供DC /DC 变换器所需的功率㊂电源的功率变换采用变压器实现能量转换,输入和输出进行磁隔离㊂PWM 控制为电源的控制核心,完成输出电压精确调节㊁动态响应㊁过流保护等功能㊂输出整流滤波电路用于滤除低频杂波,从而为射频电路提供稳定的直流电压输出㊂-5V 由于输出电流较小,采用成熟的辅助供电电路结合低压差二次稳压的设计方案㊂此外,电源电路中还设有时序控制电路,用于保证-5V 电压和+28V㊁+6V 电压的上电顺序㊂射频电路中的微波功率器件要求栅极电压开启后才能加载漏极电压,否则将导致器件烧毁,因此时序控制电路尤为重要㊂测试结果表明,按照该方案设计的电源电路转换效率达到90%,且输出电压具有较好的稳定性㊂2㊀测试结果研制完成的C 频段50W 固态功率放大器实物图如图5所示,整机的外形尺寸为185mm ˑ157mm ˑ96mm,重量约为2.0Kg㊂C 频段50W 固态功率放大器射频输入为SMA,射频输出为WR112型波导口,低频连接器为J6W-37型连接器㊂C 频段50W 固态功率放大器工作频段为7.2GHz ~7.8GHz,输出功率大于50W,功率增益范围为60dB ~90dB,可通过发送增益加减指令进行增益调节㊂图5㊀C 频段50W 固态功率放大器实物图Fig.5㊀Photo of C-band 50W solid statepower amplifier㊀㊀图6给出了在最小增益状态下输出功率随输入功率的变化曲线,当输入功率为-13dBm 时,固放输出功率为47.0dBm(50W),增益为60dB,功率附件效率约为35%㊂C 频段50W 固态功率放大器详细性能指标如表1所示,固放在额定输出功率下三阶交调小于-15dBc,具有较好的线性度,非常适用于通信卫星㊂固放输入输出驻波小于1.3:1,杂波抑制大于60dBc,额定母线电压为100V,可适应的安全母线电压范围为93V ~110V㊂图6㊀固放输出功率以及功率附件效率随输入功率变化曲线Fig.6㊀Change of the output power and power addedefficiency with input power表1㊀C 频段50W 固态功率放大器性能指标Tab.1㊀Performance of the C-band 50W SSPA 参数单位指标工作频率GHz 7.2-7.8输出功率W >50功率增益dB 60~90效率%35三阶交调dBc <-15驻波/<1.3:1杂波dBc <-60母线电压V 93~110重量Kg2.图7㊀固放温度循环试验结果Fig.7㊀Temperature cycling test results of the SSPA㊀㊀为了对C 频段50W 固态功率放大器进行可靠性验证,开展了力学试验㊁热真空试验以及温度循环试验等环境试验㊂图7给出了固放温度循环试验结果,试验条件为高温+70ʎC,低温-35ʎC,试验过程中122020年第1期陈伟伟,等:星用C 频段50W 固态功率放大器设计产品处于饱和输出状态㊂从图中可以看出,固放输出功率在常温下约为47.4dBm,高低温下各浮动0.2dB,在试验温度范围内满足大于50W的功率要求㊂在累积约370小时的温循试验过程中,产品输出功率稳定,表现出较高的可靠性,满足宇航应用要求㊂3 结束语文章介绍了一款星载C频段50W固态功率放大器的设计,其具有集成度高㊁功率大㊁效率高㊁体积小等优势,固放饱和输出功率大于50W,功率附件效率大于35%,功率增益60dB~90dB,且具有数字增益控制㊁过激励保护以及温度补偿等功能㊂所设计的产品饱和点三阶交调约为-15dBc,线性度较好,非常适用于通信卫星㊂固放在370小时的温循试验过程中,输出功率稳定,性能可靠,满足宇航应用要求㊂参考文献:[1]㊀Hao Yue,Yang Ling,Ma Xiaohua,et al.High-Perform-ance Microwave Gate-Recessed AlGaN/AlN/GaN MOS-HEMT With73%Power-Added Efficiency[J].ElectronDevice Letters,2011,32(5):626-628.[2]㊀李淑萍,张志利,付凯,等.基于原位等离子体氮化及低压化学气相沉积-Si3N4栅介质的高性能AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件的研究[J].物理学报,2017,66(19):197-301.[3]㊀张志荣,房玉龙,尹甲运,等.基于GaN同质衬底的高迁移率AlGaN/GaN HEMT材料[J].物理学报,2018,67(7):076-801.[4]㊀Ma X H,Jiao Y,Ma P,et al.The reliability of AlGaN/GaN high electron mobility transistors under step-electri-cal stresses[J].Chinese Physics B,2011,20(12):127-305.[5]㊀Fu L H,Lu H,Chen D J,et al.High-field induced elec-tron detrapping in an AlGaN/GaN high electron mobilitytransistor[J].Chinese Physics B,2012,21(10):108-503.[6]㊀苏璞,王程.L波段星载800W脉冲固态放大器设计[J].空间电子技术,2017(5):65-68.[7]㊀陈伟伟,陈炽,菊卫东,等.星用X频段调制功率放大模块设计[J].空间电子技术,2018(4):13-16. [8]㊀Wu Y F,Keller B P,Keller S,et al.Very high breakdownvoltage and large transconductance realized on GaN het-erojunction filed effect transistors[J].Applied PhysicsLetters,1996,69:1438-1440.[9]㊀Palacios T,Chakraborty A,Rajan S,et al.High-Power Al-GaN/GaN HEMTs for Ka-Band Applications[J].IEEEElectron Device Letters,2005,26(11):781-783. [10]㊀Wu Y F,Kapolnek D,Ibbetson J P,et al.Very-HighPower Density AlGaN/GaN HEMTs[J].IEEE Trans-actions on Electron Devices,2001,48(3):586-59022空间电子技术2020年第1期。
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流 电压通 过偏 置 电路 加在 Ｇ ａ Ａ ｓ Ｆ Ｅ Ｔ的各 电极 上 。 由于 偏置 电路设 计 的好 坏 直接 影 响着 放 大器
性 能 Ｊ ， 所 以微波 Ｇ ａ Ａ ｓ Ｆ Ｅ Ｔ的偏 置 电路 ， 尤 其 是 漏 极偏置 电路 的设计 十分 重要 。
一
般在设 计偏置 电路时必须遵循以下原则 ：
李新胜
中国电子科技 集 团公 司第二十七 研 究所 ， 郑州 ４ ５ ０ ０ ４ ７
摘 要： 结合 近 几年研 制的功 率放 大器 ， 本 文介 绍 了 Ｃ波段 固 态功 放偏 置 电路 的设 计理 论
和方 法 ， 并从设 计 原则 、 扇形线设 计 、 线宽设 计 和稳 定 性设 计 等 方 面进 行 了详 细描述 。利 用 径 向传 输线理 论对 扇形偏 置 电路 进行 了理论 分析 ， 进 而用微 波 仿 真软 件 对其 偏 置 电路 进 行 优 化仿 真 ， 给 出了仿 真 结果和 电路版 图。通过制作 并 测试放 大 器 ， 验 证 了该设计 方案 的可行
第 ２期 ２ ０ １ ３年 ６月
电
光
系
统
ＮＯ ． ２
Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ａ ｎ ｄ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ — ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｓ
Ｊ ｕ ｎ ．２ ０１ ３
Ｃ波 段 ６ ０ Ｗ 固 态 功 放 偏 置 电 路 设 计
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： Ｂｉ ａ ｓ Ｃｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ；Ｃ． ｂａ ｎ ｄ；Ｇａ Ａｓ Ｆ ＥＴ
大小， 合理 设计 线宽 ；
１ 引 言
直流偏置电路…是为 了保证 Ｇ ａ Ａ ｓ Ｆ Ｅ Ｔ器件
的工 作状 态 ， 使 Ｇ ａ Ａ ｓ Ｆ Ｅ Ｔ处 于无 条 件 稳 定 ， 避 免
性 和 可靠性 ， 取 得 了良好 的效 果。
关键词 ： 偏 置 电路 ； Ｃ波段 ； 砷 化镓 场效应 晶体 管
中图分 类号 ： Ｔ Ｎ ８ ３ ４ 文献标 识码 ： Ａ
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｂｉ ａ ｓ Ｃｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ Ｃ－ ｂ ａ ｎ ｄ ６ ０ Ｗ Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ Ｐｏ ｗｅ ｒ Ａｍｐ ｌ ｉ ｉｅ ｆ ｒ
１ ） 直流偏置电路应对微波主电路特性 的影响 尽可 能小 ， 即不引 入较 为 明显 的 附加损 耗 、 反 射 以
３ ） 结构 尽 可能紧凑 、 简单 。
偏置 电路 首先要 对微 波 主 电路 的微 波 特性 影
响 尽可能 小 ， 不能引入较大损耗、 反射 ， 也 不 能 使 微 波 主路 的 能量 沿 偏 置 电路 漏 泄 。原理 图如 图 １
所示 。
或减 小意 外情 况 对 功 率 放 大 器 件 的损 坏 ， 或 者 避 免 功放产 生 自激 振荡 而 损坏 器 件 。偏 置 电路把 直
ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ． ｒ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｒ ｙ ｉ ｓ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｗａ ｒ ｄ．Ｔ ｈ ｅ ｆ ｅ ａ ｓ ｉ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ｉ ａ —
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ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｐ ｒ ｏ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｓ ｖ ａ ｌ ｉ ｄ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｍａ ｋ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ｔ ｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ａ ｍ ｐ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ， ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｈ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｎ ｉ ｃ ｅ ｒ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ．