s波段大功率固态功率放大器及径向波导合成器研究

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1、第一章引言第一章引言微波固态功率放大器（SSPA）是现代通信链路中的重要部件，研究固态功率放大器具有重要的意义。随着半导体技术的不断发展，固态功率放大器的技术日益成熟，但由于单管输出功率有限，在某些应用方面难以达到功率要求，这就需要采用功率合成技术，因而研究功率合成技术也显得很有必要。1.1固态功率放大器的发展动态功率放大器就是将直流功率转化为高频交流信号输出功率，为了能使通信距离更远，需要在发射机中利用功率放大器将信号进行放大，然后再通过天线发射。同样在接收机方面，收到的信号比较微弱，也需要用功率放大器来放大信号。所以功率放大器

2、的应用极为广泛，它是通信系统中是不可或缺的部件。功率放大器的发展与半导体器件的发展密不可分，在1904年人类进入了电子[1]时代，其标志是电子管的发明。由于电子管的诸多缺点，其很快被晶体管所代替，随着半导体三极管的出现，由于其优越的性能，从而巨大的促进了电子技术的发展，这可以说是电子技术史上的第二次飞越。20世纪60年代末期，伴随着硅双极晶体管的产生，如RCA2N6093，产生了分离的固态射频功率器件。硅双极晶体管的低电压、高电流、相对较低的负载阻抗的特点受到人们的欢迎，直到20世纪80年代都是器件厂商的首选。70年代以后，由于G

3、aAs单晶外延技术获得极大的突破，GaAs垒栅场效应晶体管（GaAsMESFET）也随着研制成功。由于GaAs材料的独特优点，从此固态功率放大器可以做到更高的频率、输出更大的功率。进入20世纪80年代，互补型金属氧化物半导体(CMOS)器件对电子器件领域产生了重要的影响。在过去的几十年中，CMOS技术器件的发展已经具备非常高的竞争力。之后出现了LDMOS晶体管，LDMOS晶体管由于具有高线性、高增益、高可靠性等优点，它与微波功率双极器件相比，不存在二次击穿，安全工作区大，且具有负温度系数，抗烧毁能力强，高线性度，开关速度快，匹配电

4、路简单，驱动损耗小。而与GaAs器件相比，它工艺简单，成本低廉。因此LDMOS特别适用于移动通信领域的应用，而本文的功率放大器的末级管就是采用的Freescale的LDMOS晶体管。自90年代以来微波功率LDMOS就已经实现了大规模化生产，而且仍在继续1万方数据电子科技大学硕士学位论文向更高性能方向发展。LDMOS的新产品不断涌现，LDMOS的功率处理能力每隔数月就上升到一个新的水平。Freescale、NXP、Philips等厂商都有LDMOS产品投放市场，横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)技术的器件己经广泛应用于各种通信系

5、统中。与此同时，在这一时期还出现了多种新型固态器件，如高电子迁移管（HEMT）、异质结场效应管（HFET）、假同晶高电子迁移管（PHEMT）、异质结双极管（HBT）、SiC、InP、CaN等。这些器件的出现让功率放大器的频率可以做得更高，带宽也可做得更宽。半导体器件在过去的几十年里极大的推动了微波固态功率放大器（SSPA）的发展，与此同时，微波技术也为SSPA的发展做出很大的贡献，使我们的功率放大器性能在一步一步的提高。功率合成技术解决了单管输出功率过小的问题，使我们可以将功率做到高达几十KW的水平；为提高PA的效率及线性度，我们

6、必须使用负反馈，预失真等线性化技术，当然这得益于DSP技术的发展和微处理技术的进步；为了能让PA的带宽做到高达十几个GHz的水平，宽度技术提供了解决办法。从上世纪90年代以来，大功率放大器发展迅速，世界各国纷纷投入巨资来研制高功率微波固态功率放大器，如表1-1所示，列出最近十几年世界各国在S波段大功率固态放大器方面取得的一些成就。表1-1最近十几年世界各国在S波段大功率固态放大器方面取得的一些成就时间国家工作频率功率水平合成方法及其他相关指标由50个500W的HPA单元功率合成而成，1995年美国2.7-2.9Ghz22KW每个H

7、PA由4个150W的BJT功率管合成，HPA[2]具有30%的效率，采用径向合成结构。由32个600W的HPA合成，单个600W的1999年中国2.7-2.9Ghz16KW[3]HPA增益为17dB，21%效率。由8个250W功率单元合成。采用BJT功2000年意大利S波段10-36KW[4]放管，脉宽为150μs，10%占空比。由16个1KW的功放模块合成，它也采用2000年法国2.7-2.9Ghz12KW[5]的波导径向合成结构，脉冲宽度小于100μs，由4个550W的HPA功率合成，每个HPA2001年日本2.7-2.9Gh

8、z1.8KW具有16dB增益，57.5dBm输出功率，效率为[6]32%。HPA采用BJT功放管进行设计。[7]2006年中国S波段25KW带内增益平坦度小于1dB，效率大于20%2万方数据第一章引言由以上的介绍可知，由于SSPA的优越性能和广泛用