UHF波段GaN星载固放的设计

谷德露

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

随着国民经济和军事现代化的发展，通信、导航等卫星系统发挥着越来越重要的作用[1]。固态功率放大器(SSPA)是卫星通信中的关键组件，其功率、效率、损耗等均已成为影响系统性能的关键指标[2]。与传统的行波管功率放大器相比，SSPA具有重量轻、尺寸小、可靠性高、成本低等优点[3]，随着半导体技术的发展，在低频段SSPA已完全替代了行波管放大器，具有远大的发展前景[4]。

目前第三代半导体氮化镓(GaN)器件具有高功率密度、高击穿电压、高输出功率、高线性等特点[5-6]，已成为近年的研究热点。在S波段，国外已有输出功率240W，附加效率60%的GaN器件[7]，国内有峰值功率65W,附加效率45%的GaN芯片[8]。在X波段，国外已有输出12.5 W，附加效率57%的GaN器件[9]，国内有输出功率16 W，附加效率最高52%的GaN器件[10]。

在UHF波段，大功率固放产品主要采用LDMOS器件，但LDMOS器件对空间辐照较敏感，在星载的特殊环境下，其性能和可靠性会受到严重影响，因此无法应用于长寿命、高可靠卫星中，而GaN材料具有天然抗辐照特性，更适合星载环境[11]。但GaN器件增益特性较高，在低频段极易出现自激现象，基于其以上特点，现阶段GaN器件主要应用于L波段及以上频率，国内关于其应用于UHF频段固态功率放大器的研究报道较少。

本文根据研究目标，采用GaN器件进行了UHF波段SSPA的设计。测试结果显示在UHF波段(f0±10 MHz)，输出功率可达到48 W，功率增益68 dB，效率达到50%，三阶交调19.5 dB，在60 ℃环境下，GaN器件结温为155.88 ℃。该固放的研制完成为此频段的星载GaN固态功率放大器的研究及GaN器件的高频低用提供了可行性经验。

1 固态功率放大器方案设计

1.1 固态功率放大器的方案设计

固放由射频单元和电源单元两部分组成，其原理框图如图1所示。

图1 固态功率放大器原理框图

射频单元包括小信号放大单元、功率放大单元、温控和ALC电路单元。为保证输入、输出驻波及工作稳定性，在固放的输入端、级间、输出端均设计有隔离器或环形器。

小信号放大单元包括第1级放大衰减增益模块和次级放大器。第1级放大衰减增益模块，包含压控衰减器及2级小信号放大单片，封装在管壳内。次级放大器选用功率单片用于次级放大。

功率放大单元选用国外某型号的GaN功率管，将功率放大到48 W进行输出。射频电路单元原理如图2所示。

图2 射频单元原理框图

电源单元包含电压变换电路，提供固放所需的+28 V，+9 V和-5 V电压，并且通过遥测指标对整机各主要性能参数进行监测，通过遥控电路对固放工作状态(开、关)进行控制，并对异常状态进行必要的保护(包括欠压保护、过流保护和过温保护)。

1.2 末级放大器的设计

末级功率放大器的设计是固态功率放大器的设计重点，小信号放大单元的功耗较小，线性度好，因此固态功率放大器的功耗、效率、输出功率等主要指标取决于末级放大器[12]。

以往用于UHF频段的LDMOS功率管不适合于具有强辐照的星载环境，而硅、砷化镓功率管功率芯片存在集成密度低、承受结温低、附加效率低等缺点[13]，所以在末级功率放大器选用了第三代半导体GaN器件。

目前没有专用于UHF频段的GaN功率管，宽带GaN单片器件输出功率和效率均不能满足项目要求，现有 GaN器件多用于L、S波段及以上频段。根据FET器件增益和输出功率随频率的滚降关系，可选择适合输出功率的GaN功率管，对其高频低用，用大信号模型进行仿真，设计输入输出匹配电路，将其工作频段降至UHF波段。本项目选用国外某公司的GaN功率管，其主要指标如下：(1)16 dB Small Signal Gain at 2.0 GHz；(2)12 dB Small Signal Gain at 4.0 GHz；(3)55 W Typical PSAT；(4)55 % Effciency at PSAT；(5)28 V Operation。

该末级GaN功率管推荐工作频段为2 GHz，可工作于4 GHz，将其应用于低频段后增益过高，功率管稳定性下降，易出现自激现象，对末级功率管的大信号模型进行仿真，得到最大增益和稳定因子，如图3所示。

图3 末级功率管稳定性仿真

由图3可知，在低频段，功率管增益最高达到35 dB以上，在0.1～2.6 GHz，稳定因子k值小于1，此时功率管工作在不稳定状态，对末级功率管增加稳定性措施，保证其在全频段内工作稳定。具体措施包括：在功率管输入电路上串联小阻值电阻，抵消功率管不稳定时产生的负阻，提高频带稳定性；对地增加电阻、电容网络，降低最大增益。

增加稳定措施后再对其进行仿真，电路图如图4所示，仿真结果如图5所示。功率管在0.1～5.6 GHz，稳定因子k值均大于1，功率管在工作频带内工作状态稳定，最大增益约为30 dB，与增加稳定措施前相比，最大增益降低5 dB。

图4 末级功率管稳定性仿真

图5 末级功率管增加稳定措施后仿真结果

末级功率管采用器件的大信号模型进行了负载牵引仿真，运用谐波平衡(HB)法[14-15]，变换源阻抗值及负载阻抗值，在史密斯圆图上找到功率管的等功率及等增益曲线，不断对源牵引与负载牵引进行分析，在保证输出功率及效率满足指标要求的前提下，使前后两次得到的负载阻抗差值尽量小。负载牵引的电路如图6所示，在最佳阻抗情况下，得到的等功率及等增益圆如图7所示，电路整体的仿真图如图8所示，末级功率管的实物图如图9所示。

图6 末级功率管负载牵引仿真图

图7 末级功率管负载牵引等效率、等增益圆仿真图

图8 末级功率管整体仿真图

图9 末级功率管实物电路图

2 固态功率放大器研制结果

对固放进行了电性能测试，在f0±10 MHz的工作频带内，输出功率48 W，工作效率50%，三阶交调19.5 dB，技术指标研制结果如表1所示。

表1 固态功率放大器的研制结果

根据表1的实测结果，固放的输出功率达48 W，达到了指标要求，固放的整体工作效率达到50%，固放电源单元的电源转换效率为90%，经计算，固放末级功率管效率实际效率达到60%，与仿真结果62%基本一致，固放产品的实物如图10所示。

图10 UHF频段固态功率放大器

3 结束语

本文基于第三代半导体材料氮化镓器件高功率密度、高击穿电压、高输出功率、高线性等特点完成了UHF波段固态功率放大器样机的设计及研制，通过设计仿真消除了末级功率管由于高频低用产生的不稳定状态，将在高频段应用的GaN器件应用于所需的UHF波段，运用仿真软件进行了负载牵引仿真及匹配电路设计、优化，实现了固放在UHF波段48W的功率输出，固放的整体效率可达50%，达到了预期指标，并给出了测试结果及分析。

UHF频段固态放大器的研制成功，为GaN器件在UHF频段星载固放上的应用提供了研制经验，为进一步研制高功率、高效率的星载固放提供了技术基础。