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s波段高功率放大器的仿真设计

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射频功率放大器是微波固态发射机的核心设备。本文给出

了一款S波段大功率发射机的主电路链路方案。使用NXP公司的MRF8P29300H功率场效应晶体管设计了末级功放单元，采用功率合

成技术实现发射机额定功率输出。使用负载牵引法确定了功放最佳阻

抗，并设计了匹配电路。使用ADS射频仿真软件验证了设计方案，结

果表明设计的单路平衡功率放大器可达到300W输出，效率为51%。

0 引言

作为通信系统传输单元中的重要组成部分,射频功率放大器是

核心的功能单元之一。设计高效率功率放大器是无线通信大功率发

射机研究的热点，晶体管器件构成的固态发射机的应用领域越来越

广。相比真空管发射机，固态发射机具有低峰值高平均功率、高的

可靠性和极好的故障弱化功能。在地面、车载、舰载、机载和星载

等雷达领域得到越来越广泛的应用（朱涤非，钟世昌，S波段40W GaN高效率内匹配功率放大器的设计：电子元件与材料，2018；严

继进，芮金城，S波段高可靠固态发射机设计：电子科技，2016；

彭恩超，张瑞，基于GaN HEMTs的S波段大功率固态功放组件设

计：中国电子科学研究院学报，2019）。本文主要研究S波段大功

率脉冲功率放大器单元的设计。

1 主要技术指标

工作频率：2700-2900MHz；占空比≤10%；脉冲宽度≤200us；

输入功率：10mW；输出功率≥2kW；脉冲最高下降﹤2dB；增益平

坦度≤1.5dB；效率≥30%；噪声系数<3dB。

2 方案设计

设计的总体方案如图1所示。发射机需要实现大于2kW的功

率输出，从各主流射频器件供应商提供的产品手册查询可知，该

频段的射频器能达到的额定功率最大为350W。由此可知发射机主

电路末级至少需要8路300W的功放模块，功率合成达到2kW的额

定输出。目前NXP公司的射频功率晶体管在国内市场占比较高，

本设计采用该公司型号为MRF8P29300H的晶体管设计功放电路。MRF8P29300H功率三极管是专用于2700-2900MHz，脉冲信号工作

状态下的LDMOS结构功率晶体管。它可以实现320W峰值功率输

出，占空比最小10%，增益13.3dB，效率50%，且内部采用两片晶体管并联封装，可以方便组成推挽式电路。

图1 1kW功放链路 综合考虑到散热、电磁兼容、可维护性等要求，发射机功放

机柜采用模块化设计。功放机柜采用两路额定功率1kW的单元构

成，然后末级电路采用波导管功率合成器合成2kW的额定功率。1kW功放单元的设计方案如图1所示。

整个功放单元包括四级，输入信号功率为10dBmW，第一级功

放采用专用小信号集成放大芯片，增益为20dB，内匹配50Ω。第二

级功放为推动级，增益15dB，同样采用飞思卡尔晶体管，将输入功

率放大到20W。第三级采用电压可变增益放大器与数控衰减器一起

动态调整发射机链路的总增益。第四级采用四路平衡功放电路，每

路输出额定功率300W。该级功放采用B类功率放大器。末级平衡功

放电路结构如图2所示。

图2 平衡功放电路结构

由于末级功放对整个发射机性能影响最大，所以本文重点分析

第四级功放的设计方法。

3 单管的仿真设计3.1 静态工作点与稳定性

平衡式功率放大器有两路输入与输出相差90o的单管功放组合S波段高功率放大器的仿真设计成都航空职业技术学院 王光旭 梁 健• 136

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而成，所以应首先分析设计单条支路的功放设计。首先可以NXP

公司的网站上下载MRF8P29300H的ADS模型，然后建立直流仿真

模型，确定功放的静态工作点。根据经验，静态工作点的选取可

直接参考芯片数据手册。大功率雷达发射机末级功放一般采用B类

或C类功放。利用ADS射频仿真软件做晶体管的直流特性仿真如图3(a)所示，静态工作点选VGS(Q)=2.3V。需要注意的是，在实际应

用中，栅极电压应设计温度补偿电路，以抵消由环境变化造成的

电压漂移。静态电路的设计还需要消除电路的震荡。振荡的存在

对发射机的安全构成较大的威胁，严重时会烧毁发射机（马敏，

基于ADS的S波段LNA的设计与实现：电子设计工程，2017；高贵

虎，苏凯雄，范梦怡，北斗导航射频功率放大器设计：电气技术，2018）。图3(b)为ADS静态模型稳定系数的仿真结果，从图中可以

看出MRF8P29300H在2700-2900MHz范围内满足稳定性需求。

图3 直流静态工作点与稳定系数

3.2 负载牵引仿真

负载牵引法是实现放大器额定功率输出的常用设计方法。射频

功率放大器的输入功率、效率等指标与输入输出阻抗密切相关。功

率放大器在某一频率大信号状态工作的时候，它的最佳负载阻抗会

随着输入功率的增加而发生变化。所以，我们必须在smith原图上

根据不同的输入功率定位。每给定一个输入功率值是，绘制出在不

同的负载阻抗情况下的等输出功率曲线，帮助我们找出最大输出功

率对应的最佳负载阻抗值，此方法即为Load pull，负载牵引法（杨

文琪，钟世昌，基于负载牵引的S波段40W LDMOS功率放大器设

计：电子器件，2018；张书源，钟世昌，基于GaN HEMT的S波段

的功率放大器设计：电子技术应用，2019）。用ADS射频仿真软件

中提供的Load-pull和Source-pull仿真功能对功放管进行负载牵引仿

真，从而得到该功放管在smith圆图上的最佳效率点（PAE）和最佳

功率传输点（Pdel）。

图4 负载牵引与源牵引仿真结果

图4(a)为单管B类功放负载牵引法的仿真结果，从图中可以看出Load-pull阻抗为1.15-j0.529，PAE效率为56.20%。在输入为为35dbmW

的情况下可得最大输出功率为50dBmW。图4(b)为源牵引的仿真结

果，由图可以看出源牵引的效率低于负载牵引的效率。此种情况在设

计过程中首先保证负载牵引的结果满足设计指标，采用源牵引找出大

概的圆心位置即可，可以采用优化方法进一步确认源阻抗值。3.3 匹配电路设计

图5 smith圆图与微带线匹配

匹配电路的设计是整个功放设计的重点。在得到源与负载阻抗

的基础上，应将源与负载阻抗匹配至50Ω。首先利用smith圆图工

具将1.15+j0.529阻抗匹配至50Ω，此处采用共轭匹配。匹配过程如

图5(a)所示。由匹配结果可以自动生成对应的理想传输线模型。微

带线尺寸的确定的是一项复杂的运算过程，ADS软件提供了专用微

带线计算工具LineCalc，大大简化了设计过程。利用LineCalc可将

理想传输线转化为实际微带线（陈晓青，章勇佳，时晓航，大脉宽

高效率S波段功率放大器的研制：电子与封装，2019）。参考射频

基板RO4350的参数，计算得到实际微带线匹配结果如图5(b)所示。

4 平衡功放的仿真

在单管模型满足设计要求的基础上，利用双晶体管搭建的300W平衡功放电路的ADS模型。输入输出采用威尔金森功分器

进行等功率分配与核查。采用1/4波长微带线实现90o相移。图6为

平衡功放的谐波仿真结果，图6(a)为输出功率，6(b)为输出效率。

从图中可以看出在增益为13dB的情况下，可得输出功率为54dBm

（300W），效率为55%。由此可知，由4路功放合成的功放机箱额

定输出功率可达1.2kW。考虑合成器的功率损耗，有两路1kW的功

放机箱合成的功放机柜，完全可以2kW功率的输出要求。

图6 平衡功放的仿真功率与效率

5 结论

本文主要利用ADS射频软件探讨了S波段发射机大功率放大器

的设计方法，并对电路进行了仿真研究。从以上的分析可得，采用MRF8P29300H构成的平衡功放电路可以满足本发射机的指标需求。仿

真结果具有很好的理论指导，可以为下一步样机的研制提供参考。

作者简介：

王光旭【通信作者】（1984—），男，汉族，山东枣庄人，硕士，

现供职于成都航空职业技术学院，研究方向为大功率通信发信机技术。

梁健（1976—），女，汉族，四川成都人，硕士，现供职于成都航

空职业技术学院，主要研究电子技术教育与仿真技术。

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卫星功放知识点总结大全

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在卫星通信系统中，功率放大器（功放）是一种关键元件，用作信号的放大和传输。卫星功放在卫星通信中起着至关重要的作用，它能够增加卫星发射端和接收端的信号功率，以确保信号的可靠传输。本文将对卫星功放的工作原理、分类、应用和未来发展进行详细的阐述和总结。

一、工作原理

卫星功放的工作原理是将输入的微弱高频信号放大为足够的功率，以便在传输过程中能够达到远距离传输并覆盖广阔区域的需求。卫星功放主要由两部分组成，即射频部分和微波信号放大部分。

射频部分：射频部分主要是将设备中的射频信号（一般为L波段、S波段或者C波段信号）通过天线输入到功放中，然后转化为微波信号。在射频模块中，一般包括射频信号的收发切换、功率控制、温度补偿等功能模块。

微波信号放大部分：微波信号放大部分主要是将射频部分传送来的微波信号进行电子放大，主要通过固态功率放大模块放大电子信号。此外，还会配备低噪声放大器、高频滤波器和驻波比保护等模块，以保证输出信号的质量和稳定性。

总之，卫星功放的工作原理可以概括为：接收到微弱高频信号后，通过射频转化为微波信号，然后经过微波信号放大模块进行放大，最终输出具有足够功率的信号用于卫星通信传输。

二、分类

卫星功放按照使用的技术和放大器的类型可以大致分为以下几类：

1. 参数放大器：参数放大器是一种常用的卫星功放类型，它能够根据输入的参数改变输出信号的增益。参数放大器广泛应用于卫星通信系统中，主要用于对输入信号的放大和调节。

2. 功率放大器：功率放大器是通过输出大功率电流以改变输入信号的幅度大小，从而实现对信号的放大。功率放大器可以输出较大的功率，一般适用于中高功率需求的卫星通信系统。

3. 器件放大器：器件放大器是利用半导体器件进行功率放大的一种类型，其特点是体积小、功耗低、频率范围广。器件放大器多用于小型和低功耗的卫星通信系统中。

4. 工作方式分类：根据工作方式的不同，卫星功放可以分为固定增益功放、自动增益控制功放和温补功放等几种不同类型。固定增益功放一般用于对输入信号的简单放大，自动增益控制功放则可以根据输入信号的大小进行自动调节，而温补功放则可以在不同工作温度下保持输出信号的稳定性。 5. 依据技术方式分类：卫星功放还可以根据技术方式的不同进行分类，主要有LDMOS功放、GaN功放、GaN-on-Diamond功放等几种类型。LDMOS功放是利用局部衬底金属氧化半导体技术进行放大的功放类型，主要特点是功耗低、性能稳定；而GaN功放和GaN-on-Diamond功放则是利用氮化镓半导体技术进行功率放大，其优点是功率密度大、工作频率范围宽、工作温度范围广等。

一种S波段薄片型TR组件的设计

一种S波段薄片型TR组件的设计

第19卷第8期第19卷，第8期Vol.19，No.8电子与封装ELECTRONICS&PACKAGING总第196期2019年8月

一种S波段薄片型TR组件的设计

雒寒冰，张红英，杨晶晶，麻仕豪，莫志明

（上海航天电子技术研究所，上海201109）

摘要：介绍了一种S波段薄片型TR组件的设计方案，包括TR组件的功能组成、过渡设计、结构设计。给出了该组件的关键指标测试值，对设计结果进行了验证，实现了TR组件的小型化设计。关键词：TR组件；S波段；薄片；小型化中图分类号：TN802.1文献标识码：A文章编号：1681-1070渊2019冤08-0029-02

中文引用格式：雒寒冰，张红英，杨晶晶，等.一种S波段薄片型TR组件的设计[J].电子与封装，2019袁19渊8冤院29-30.

英文引用格式：LUOHanbin,ZHANGHongying,YANGJingjing,etal.ThedesignofSbandultra-thinTRmodule[J].Electronics&Packaging,2019,19(8):29-30.

TheDesignofSBandUltra-ThinTRModule

LUOHanbin,ZHANGHongying,YANGJingjing,MAShihao,MOZhiming渊ShanghaiAerospaceElectronicTechnologyInstitute,Shanghai201109袁China冤

Abstract:AdesignschemeofSbandultra-thinTRmoduleisintroduced,includingfunctioncomposition,

designofsignaltransitionandconstruction.ThekeytestvalueoftheTRmoduleisgiven,andthedesignresultisverified.TheTRmoduleminiaturizationdesignisrealized.Keywords:TRmodule;Sband;utra-thin;miniaturization

直线加速器Kanthal合金高功率同轴负载设计及功率分布

直线加速器Kanthal合金高功率同轴负载设计及功率分布

第２３卷第１０期　２０１１年１Ｏ月　强　激　光　与　粒　子　束　ＨＩＧＨ　ＰＯＷＥＲ　Ｉ　ＡＳＥＲ　ＡＮＤ　ＰＡＲＴＩＣＬＥ　ＢＥＡＭＳ　Ｖｏ１．２３，ＮＯ．１Ｏ　Ｏｃｔ．。２０１１　文章编号：　１００１—４３２２（２０１１）１０—２７５２—０５　

直线加速器Ｋａｎｔｈａｌ合金高功率同轴负载　

设计及功率分布　

孙　袁　，　沈连嬉　，　王秀翠　，　裴元吉　（１．中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，合肥２３００２７；２．中国科学技术大学国家同步辐射实验室，合肥２３００２９）　摘　要：　为满足辐照直线加速器的小型化需求，提出利用同轴负载代替波导式负载结构的方案，其关键　技术是利用涂敷在加速腔内壁的微波吸收材料直接吸收剩余微波功率。针对面吸收型负载材料Ｋａｎｔｈａｌ（Ｆｅ—　Ｃｒ—Ａ１）合金，采用２￣／３模式６腔２周期谐振腔结构，运用ＣＳＴ仿真进行ｓ波段同轴负载设计。对涂层涂敷位　置及面积对负载腔工作频率和品质因子的影响进行了详细的仿真分析，并得到了满足２　８５６　ＭＨｚ工作频率的　腔体尺寸补偿值；设计了一种６腔２周期同轴负载，单路衰减可达一１８．６３　ｄＢ。吸波涂层及腔体铜壁表面功率　损耗密度的计算结果表明，腔体周向功率损耗呈均匀分布，阑片表面呈抛物线型分布。　关键词：直线加速器；　同轴负载；Ｋａｎｔｈａｌ合金；腔体频率补偿；功率分配；功率分布　中图分类号：ＴＬ５３　文献标志码：　Ａ　ｄｏｉ：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１１２３１０．２７５２　辐照直线加速器在工农业、医疗、食品安全等领域日益广泛的应用对其提出了小型化的要求，而传统加速　器结构中的波导式负载是其小型化的瓶颈。利用同轴式负载取代波导负载，可显著减小加速器的体积。同轴　负载由Ｊ．Ｈａｉｍｓｏｎ首次提出［１］。国内，姚充国等在盘荷波导型同轴负载研究中对不同损耗材料下的腔体品质　因子进行了实验对比　；金凯等为一台１．６　ＭｅＶ低功率ｘ波段直线加速器研制了等功耗同轴负载＿３　］。曹磊　等研究了同轴负载材料Ｋａｎｔｈａｌ合金涂层的多孔材料特性，并对其物性参数进行了实验研究　］。何笑东等采　用同轴谐振腔法测量了Ｋａｎｔｈａｌ合金的电导率和磁导率，并尝试了ｓ波段同轴负载的仿真设计＿６］。这些研究　工作多针对较低的剩余功率，且主要依靠实验手段进行。随着辐照加速器对功率要求的不断提升，需研制可吸　收ｌ０～２０　ｋｗ剩余功率的同轴负载，因此有必要就高功率同轴负载进行系统的设计和分析。高功率同轴负载　的可行性还依赖于有效的冷却系统的实现，本文利用负载腔电磁场强度计算得到腔体内热功率分布，为同轴负　载冷却系统设计提供可靠的技术参数。　ｌ　同轴负载结构及吸波材料　盘荷波导同轴负载结构如图１所示，在常　规加速管末端同轴地延伸若干个负载腔体，这　些腔体内壁涂敷高效的吸波材料，进入负载腔　的剩余微波功率被吸波涂层吸收转化为热量，　并通过加速管外部的冷却水路带走。这种结构　去除了输出耦合器，使得加速器结构更加紧凑。　与此同时，负载腔还可提供相当于常规加速腔　中约６０　的电子能量增益［１］。　Ｋａｎｔｈａｌ（Ｆｅ—Ｃｒ—Ａ１）合金是一种损耗金属，　有较高的磁导率（　一２．５８）和较低的电导率　Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｄｉｓｋ—ｌｏａｄｅｄ　ｃｏｌｌｉｎｅａｒ　ｌｏａｄ　图１盘荷波导同轴负载示意图　（ａ－－８　９７８．２７　Ｓ／ｍ）　，于是其表面电阻Ｒ　一￣／　／２　较高，其中　为角频率，因此它具有较强的微波吸收能　力。同时Ｋａｎｔｈａｌ合金的真空放气率低且具有良好的导热和机械性能　。　

单模光纤S波段开展试验

单模光纤S波段开展试验

光纤与电缆及其应用技术　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃａｂｌｅ　２００２年第１期　Ｎ０．１　２００２　

｝综述｝　

单模光纤Ｓ波段开展试验　

张　煦　

（Ｉ－海交通大学电子工程襄，上海２０００３０）　

［摘要］综述单模光纤最近新辟ｓ波段的实验动态。首先介绍光纤从Ｃ波段和Ｉ　波段扩充至Ｓ波段的过程，　

然后说明了Ｓ波段使用的掺铥光纤放大器和拉曼放大器的构成，最后报道了Ｓ波段的长途传输试验和ｃ波段、Ｌ波　

段和Ｓ波段这三个波段联合运用试验的简况。　［关键词］光纤通信；ｃ波段、Ｌ波段和Ｓ波段；掺铒光纤放大器；掺铥光纤放大器；拉曼放大　

［中圈分类号］ＴＮ８１８　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１００６—１９０８（２００２）０１　０００１　ｏ２　

Ｒｅｃｅｎｔ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　０ｎ　Ｓ—ｂａｎｄ　ａｌｏｎｇ　ｓｉｎｇｌｅ　ｍｏｄｅ　ｆｉｂｅｒ　

ＺＨＡＮＧＸ“　

（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐｔ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００３０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｒｅｃｅｎｔ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｏｎ　Ｓ—ｂａｎｄ　ａｌｏｎｇ　ｓｉｎｇｌｅ—ｍｏｄｅ　ｆｉｂｅｒ　ａｒｅ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｆｏｒ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　

ｔｏ　ｅｘｐａｎｄ　ｆｒｏｍ　Ｃ—ｂａｎｄ　ａｎｄ　Ｉ　ｂａｎｄ　ｔｏ　Ｓ—ｂａｎｄ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ＴＤＦＡ　ａｎｄ　ＲａＦＤ￣ｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　

ｆｏｒ　Ｓ　ｂａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｅｘｐｌａｉｎｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｂｒｉｅｆ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓ　ｂａｎｄ　ｌｏｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｅｘｐｅｄｍｅｎｔ，　

ａｎｄ　ｔｈｒｅｅ　ｂａｎｄ（Ｃ—ｂａｎｄ．Ｌ—ｂａｎｄ　ａｎｄ　Ｓ—ｂａｎｄ）１ｏｉｍ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．