电子测量与仪器学报２００９年增刊
宽带固态功率放大器的设计及实现
朱洪伟
黄宁
诸建平
（上海微波设备研究所。上海２０１８０２）
摘要：宽带固态功率功率放大器是固态发射机中的关键部件，广泛应用于软件无线电电台、有源相控阵雷达、综合化航空电子设备等领域中。以一款新研制的ｓ波段宽带固态功率放大器为例，介绍了超宽带固态功率放大器的设计理论和方法，并用微波仿真软件ＡＤＳ对功率管的输入、输出阻抗匹配电路及其偏置电路进行优化仿真设计。通过制作并测试此放大器，验证了该设计方法的可行性。最后，给出了测试数据它在２ＧＨｚ～４ＧＨｚ的频带范围内，输入功率为２５ｍＷ时，输出
功率大于ｌＯＷ带内功率起伏小于１．５ｄＢ。
关键字：宽带固态功率放大器匹配网络固态发射机中图分类号。ＴＮ７２２
文献标识码：
Ｂ
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具体实施主要靠经验的积累和调试来完成。这与
ｌ引言
目前雷达和电子对抗的发射系统中所采用的功率器件主要有三种选择：电真空器件，半导体器件和电真空与半导体器件混合使用。而采用宽禁带半导体功率器件实现的微波同态功率放大器具有Ｔ作寿命长，低下作电压，快速开关机的能力以及能在恶劣工作环境下正常工作等特点，因而在雷达和电子对抗等领域得到了广泛的应用
ｌｑｌ７１。
现代先进微波电路的设计思路和实现方法存在较大差距，因而微波吲态微波功率放大器一直存在设计繁琐，调试量大等凼难ｐＪ。然而日前利用高效的ＡＤＳ软件则完全可以使整个设计过程简洁高效，减少调试过程，降低研发成本。
本文以一款新研制的频段为２．４ＧＨｚ输出功率为１０Ｗ的功率放大器为例介绍了如何利用ＡＤＳ进行宽带同态功率放人器的设计，对宽禁带固态功率放人器的设计研究具有指导意义。
同时雷达技术的发展，对微波固态功率放大器提出了更高的输出功率和更大瞬时带宽的要求睇Ｊ。而在大功率放大器电路设计中，输入输出的宽带匹配电路网络，‘直楚设计难点之～，电路的
２电路设计及仿真
２．１ＤＣ仿真
１８４
电子测量与仪器学报
直流仿真是用来分析被测电路的直流工作点特性，而选择合适的静态工作点是功放电路设计的基础，因此进行功放设计时都需要进行直流仿真，如图ｌ所示。
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２００９年增刊
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图３单级放大器仿真结果
由于目前能够实现超宽带工作的功率器件的
２．３放大器整体仿真
输出功率有限，要实现１０ｗ的功率输出，只能采用平衡式的方式来实现，同时由于输入、输出的３ｄＢ电桥两路输入信号相位相差９００，当两路反射
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联接起来【５１１７１。本文中为了推动末级功放，在末
级功放前，选取了ＦＬＬ３５７作为推动级，放大器的整体仿真电路图如图４所示。仿真结果如图５所示。
图ｌ直流仿真
２．２单级放大器仿真
由于这个频段采用分布元件设计电路，其设计效果较好，综合考虑电路的性能，确定在电路优化设计过程中先采用集总元件进行电路初步优化，然后再采用分布元件进行电路最终优化。同时对于宽带功率放大器的匹配，可以先对中心带宽频率２．８ＧＨｚ进行匹配，为了实现所需的频带，应使用低Ｏ值的匹配电路，以减少带内幅度波动，改善输入ＶＳＷＲｌ４ｌ【６。，在本例中，根据匹配准则，品质因数应小于Ｑ＝２．８／２＝１．４。以上这些使用ＡＤＳ自带的Ｌｉｎｅｃａｌｃ工具可以很方便地实现。
建立仿真电路如图２所示，对具体参数按照所需要的指标以及可实现的具体情况进行修改优化，得到仿真结果如图３所示。
图４级联放大器仿真
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图５级联放大器仿真结果
图２单级放大器仿真
１８５
３测量方法
３Ｉ版图设计
在电踏罔醴－ｆ完毕后．阿进行版罔设Ｆ｝。版图ｚ｝，层的定义必颁符合，家的规定．篮将ＡＤＳ版图十层的定义改为ＵＭＳ的规定”Ｊ。选择ＬＡＹＯＵＴ，软件将会把原卑图转化成为赏际的电路版图形式．接着设定版图大小、形状。报据生成的版图，最后投产的实际电路斟如下：
Ｉｌ圈６实物田
３．２测试方法
输入激励信号由ａｇｉｌｅｎｌＥ８２５７Ｄ产生，Ｅ８２５７Ｄ住２０ＧＨｚ的频段山，输…功率能逃剑２０ｄＢｍ，而且输Ⅲ信‘ｊ杂波抑制性能能边剑７０ｄＢ＠１０Ｇ，完个能够满足测试需要。输Ⅲ信０采川ａｇｉｌｅｎｔＥ４４１８Ｂ采集，山丁放人器输ｉＩｉ功率较高．ＩＸＩｄ！输八刘功＃计前采川人功率３０ｄＢ衰减器。
测试结果显示，功社器件的工作电压为２８Ｖ，工作时龋极电流较小（０
４
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增毓平址度为１５（１Ｂ．输出功率大ｆ４ｌｄＢｍ。根据结果分析，宽禁÷々功率器件』｝有商１：作电爪、小ｌ作电沭的特点。减小工作电流，在］科中ｉｉ；咀减
小由十电源供电带米的损耗，提高ｌＵ源供ＩＵ技率，
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５结论
山仿真和实际结粜可咀发现，设计结果和测试结果除高频带宽冉衅荠别（跟ⅫＩ试ｆＩ笑）外，
其它性能仃较好的吻合性。凼此，用ＡＧＩＩ，ＥＮＴ公司的ＡＤＳ软件来进行同态功率放大器的ＣＡＤ设汁．仿真和优化是丰Ｈ当方便的，而且仿点结果
和实际测试结构较为吻合，井可以存救简化微波
电路设Ｆｆ过程中的匹配电路计算、稳定性分析的繁杂计算及手工布制版图等过程，提高了设计敢率，是微波电路设计师们的得力助下。参考文献：
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作者简介
朱洪伟１９８４蚋｜一｝．２００７年毕Ⅱｊ氆华航十Ｉ“学‰，
ｒ蜓Ｍ市微浊㈨岳ｍ”机＃术＂｝ＥＴ忭。
黄宁１９８３‘１１＿｜：十，蚓济★学砸十，ｒ海儆被＆备目究所．｝耍ｎ‘“微＊『Ｈ志艇射机技术＂党Ｔ作。
诣北平：１９６０”｜．々，％‰Ｔ“帆ｌ海做被＆备＂Ｒ所，
１．妥Ｍ乒微被同志敷目ｔ机拄木＂究佧
４结果分析
宽带固态功率放大器的设计及实现
作者：作者单位：
朱洪伟， 黄宁， 诸建平
上海微波设备研究所,上海 201802
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电子测量与仪器学报２００９年增刊
宽带固态功率放大器的设计及实现
朱洪伟
黄宁
诸建平
（上海微波设备研究所。上海２０１８０２）
摘要：宽带固态功率功率放大器是固态发射机中的关键部件，广泛应用于软件无线电电台、有源相控阵雷达、综合化航空电子设备等领域中。以一款新研制的ｓ波段宽带固态功率放大器为例，介绍了超宽带固态功率放大器的设计理论和方法，并用微波仿真软件ＡＤＳ对功率管的输入、输出阻抗匹配电路及其偏置电路进行优化仿真设计。通过制作并测试此放大器，验证了该设计方法的可行性。最后，给出了测试数据它在２ＧＨｚ～４ＧＨｚ的频带范围内，输入功率为２５ｍＷ时，输出
功率大于ｌＯＷ带内功率起伏小于１．５ｄＢ。
关键字：宽带固态功率放大器匹配网络固态发射机中图分类号。ＴＮ７２２
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Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｏｌｉｄｂｒｏａｄｂａｎｄｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒ
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２０１８０２）
（ＳｈａｎｇｈａｉＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ
ｏｆＭｉｃｒｏｗａｖｅＤｅｖｉｃｅｓ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｕｌｔｉ－ｏｃｔａｖｅｓｂｒｏａｄｂａｎｄｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｉｓｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｂｒｏａｄｂａｎｄｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓ，ｗｈｉｃｈｉｓ
ｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎＳｏｆｔｗａｒｅｎｅｗｌｙｄｅｖｅｌｏｐｅｄ
Ｒａｄｉｏ，ａｃｔｉｖｅｐｈａｓｅ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ
ｓｏｌｉｄｓｔａｔｅ
ｒａｄａｒａｒｒａｙａｎｄｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄａｖｉａｔｉｏｎｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
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ｉｍｐｅｄａｎｃｅｍａｔｃｈｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｓａｎｄｂｉａｓｃｉｒｃｕｉｔｓｏｆＧａＮＨＥＭＴａ化ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇｍｉｃｒｏｗａｖｅ
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ｐｏｗｅｒｉｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ１０Ｗｗｈｅｎｔｈｅｉｎｐｕｔ
ｐｏｗｅｒｉｓ２５ｍＷ，ａｎｄｉｔｓｇａｉｎｆｌａｔｎｅｓｓｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ１．５ｄＢ。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｂｒｏａｄｂａｎｄ；Ｓｏｌｉｄ—Ｓｔａｔｅｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＭａｔｃｈｉｎｇＮｅｔｗｏｒｋ；Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ
具体实施主要靠经验的积累和调试来完成。这与
ｌ引言
目前雷达和电子对抗的发射系统中所采用的功率器件主要有三种选择：电真空器件，半导体器件和电真空与半导体器件混合使用。而采用宽禁带半导体功率器件实现的微波同态功率放大器具有Ｔ作寿命长，低下作电压，快速开关机的能力以及能在恶劣工作环境下正常工作等特点，因而在雷达和电子对抗等领域得到了广泛的应用
ｌｑｌ７１。
现代先进微波电路的设计思路和实现方法存在较大差距，因而微波吲态微波功率放大器一直存在设计繁琐，调试量大等凼难ｐＪ。然而日前利用高效的ＡＤＳ软件则完全可以使整个设计过程简洁高效，减少调试过程，降低研发成本。
本文以一款新研制的频段为２．４ＧＨｚ输出功率为１０Ｗ的功率放大器为例介绍了如何利用ＡＤＳ进行宽带同态功率放人器的设计，对宽禁带固态功率放人器的设计研究具有指导意义。
同时雷达技术的发展，对微波固态功率放大器提出了更高的输出功率和更大瞬时带宽的要求睇Ｊ。而在大功率放大器电路设计中，输入输出的宽带匹配电路网络，‘直楚设计难点之～，电路的
２电路设计及仿真
２．１ＤＣ仿真
１８４
电子测量与仪器学报
直流仿真是用来分析被测电路的直流工作点特性，而选择合适的静态工作点是功放电路设计的基础，因此进行功放设计时都需要进行直流仿真，如图ｌ所示。
！
２００９年增刊
ｉ
飘；舞ｔ卿
图３单级放大器仿真结果
由于目前能够实现超宽带工作的功率器件的
２．３放大器整体仿真
输出功率有限，要实现１０ｗ的功率输出，只能采用平衡式的方式来实现，同时由于输入、输出的３ｄＢ电桥两路输入信号相位相差９００，当两路反射
豳
固怒匾巫巫三垂口∞ｖ翻目■ｐ＿ｕ呐●哪
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Ⅸ：，峋，‘２
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型的放大器接于其间时，反射功率相互抵消，从而保证功放模块具有低的输入、输出驻波系数，使得各个功放模块之间不用加隔离器就能方便的
■印・坤９ｄｍ■∞■・ｍ■ｔｐ’口ｃｒ目雌由５ｅｍｈ＃＿目■ｋ叫４。
钿““慢岫州，Ｉｌ
９ｄｍ■ｍｎ■“ｔ争
５ｈ●ｍ－日■■Ｈ■Ｐ
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６＿●自ｗｍ－¨■
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联接起来【５１１７１。本文中为了推动末级功放，在末
级功放前，选取了ＦＬＬ３５７作为推动级，放大器的整体仿真电路图如图４所示。仿真结果如图５所示。
图ｌ直流仿真
２．２单级放大器仿真
由于这个频段采用分布元件设计电路，其设计效果较好，综合考虑电路的性能，确定在电路优化设计过程中先采用集总元件进行电路初步优化，然后再采用分布元件进行电路最终优化。同时对于宽带功率放大器的匹配，可以先对中心带宽频率２．８ＧＨｚ进行匹配，为了实现所需的频带，应使用低Ｏ值的匹配电路，以减少带内幅度波动，改善输入ＶＳＷＲｌ４ｌ【６。，在本例中，根据匹配准则，品质因数应小于Ｑ＝２．８／２＝１．４。以上这些使用ＡＤＳ自带的Ｌｉｎｅｃａｌｃ工具可以很方便地实现。
建立仿真电路如图２所示，对具体参数按照所需要的指标以及可实现的具体情况进行修改优化，得到仿真结果如图３所示。
图４级联放大器仿真
２０Ｂ
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￡ｍ
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２．Ｏ２２２４２点２．８
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图５级联放大器仿真结果
图２单级放大器仿真
１８５
３测量方法
３Ｉ版图设计
在电踏罔醴－ｆ完毕后．阿进行版罔设Ｆ｝。版图ｚ｝，层的定义必颁符合，家的规定．篮将ＡＤＳ版图十层的定义改为ＵＭＳ的规定”Ｊ。选择ＬＡＹＯＵＴ，软件将会把原卑图转化成为赏际的电路版图形式．接着设定版图大小、形状。报据生成的版图，最后投产的实际电路斟如下：
Ｉｌ圈６实物田
３．２测试方法
输入激励信号由ａｇｉｌｅｎｌＥ８２５７Ｄ产生，Ｅ８２５７Ｄ住２０ＧＨｚ的频段山，输…功率能逃剑２０ｄＢｍ，而且输Ⅲ信‘ｊ杂波抑制性能能边剑７０ｄＢ＠１０Ｇ，完个能够满足测试需要。输Ⅲ信０采川ａｇｉｌｅｎｔＥ４４１８Ｂ采集，山丁放人器输ｉＩｉ功率较高．ＩＸＩｄ！输八刘功＃计前采川人功率３０ｄＢ衰减器。
测试结果显示，功社器件的工作电压为２８Ｖ，工作时龋极电流较小（０
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Ａ左廿），增氚为１９ｄＢ，
增毓平址度为１５（１Ｂ．输出功率大ｆ４ｌｄＢｍ。根据结果分析，宽禁÷々功率器件』｝有商１：作电爪、小ｌ作电沭的特点。减小工作电流，在］科中ｉｉ；咀减
小由十电源供电带米的损耗，提高ｌＵ源供ＩＵ技率，
订利丁器什的大ｂ｝麻州。
５结论
山仿真和实际结粜可咀发现，设计结果和测试结果除高频带宽冉衅荠别（跟ⅫＩ试ｆＩ笑）外，
其它性能仃较好的吻合性。凼此，用ＡＧＩＩ，ＥＮＴ公司的ＡＤＳ软件来进行同态功率放大器的ＣＡＤ设汁．仿真和优化是丰Ｈ当方便的，而且仿点结果
和实际测试结构较为吻合，井可以存救简化微波
电路设Ｆｆ过程中的匹配电路计算、稳定性分析的繁杂计算及手工布制版图等过程，提高了设计敢率，是微波电路设计师们的得力助下。参考文献：
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Ｓｋｏｌｎｉｋ
ＲａｄⅡｉｎｔｈｅＴｗｅｎｔｉｅｔｈＣｅｎｔｕｒｙ．ＩＥＥＥＡＥＳ
Ｅｌｃｃ”ｏｎｋ
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Ｍａｇ“ｉｎｅ…Ｊ，Ｊｕｂｉｌｅｅ［ｇｇｕｅ，Ｏｃｌ
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１２１蒋挪￥衙厚忠Ｓ赦Ｒ趟宽带ｍ女Ⅻｊ＃破＾８的ｍ制
Ⅲｍ被＃报，２００５
２１
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『３１ＭｉｌｌｉｇａｎｊＷ，ＳｈｅｐｐａｒｄＳ，ｐｒｌｂｂｌｅｗＷｕＹＦＭｕｌｌｅｒ
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作者简介
朱洪伟１９８４蚋｜一｝．２００７年毕Ⅱｊ氆华航十Ｉ“学‰，
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黄宁１９８３‘１１＿｜：十，蚓济★学砸十，ｒ海儆被＆备目究所．｝耍ｎ‘“微＊『Ｈ志艇射机技术＂党Ｔ作。
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４结果分析
宽带固态功率放大器的设计及实现
作者：作者单位：
朱洪伟， 黄宁， 诸建平
上海微波设备研究所,上海 201802
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