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〔1〕
   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〔2〕，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。