引言

近年来，随着通信、雷达、深空探测等技术的发展，可支持多通信协议和高质量通信的多信道通信是一个重要趋势。作为多信道接收机的重要部件之一，多通带滤波器的性能可以直接影响接收机的性能。由于超导滤波器具有低插损、高带外抑制和带边陡度等优异性能，应用于接收机时可有效提高接收机的信噪比和抗干扰能力，吸引着越来越多的关注。

一、总体设计

本文提出的L波段固态功率放大器的原理框图如图1所示。

由图1可知，固态功率放大器主要由增益调节电路、相位调节电路、一级放大电路、二级放大电路、末级放大电路、环行器、水冷板、供电电源与控保电路组成。射频信号源提供微波小信号，首先经过增益和相位调节电路，然后经过一级、二级放大电路，放大后信号通过3dB电桥一分二到末级放大电路，再通过3dB电桥合成，最终输出功率。供电电源给各级功放管及芯片提供工作电压，环行器主要用于保护功率放大器，避免输出不匹配导致反射功率过大烧毁功放管等器件，控保电路是对功率放大器的状态进行检测，并对异常状态进行保护，水冷板置于所有器件下方，带走发热器件的热耗。

二、谐振器设计与分析

从设计指标可以看出，该双通带滤波器既要兼顾带外的频率选择性要求又要有平坦的带内群时延波动。为了满足设计要求，本文采用八阶切比雪夫滤波器并引入传输零点的方式来实现。由于滤波器群时延波动最大部分为通带边缘部分，因此在设计时将低频通带的下边频和高频通带的上边频展宽20MHz，低频通道的上边频和高频通带的下边频展宽10MHz，这样不仅能提高带内群时延平坦度，还能减小温度以及仿真介电常数数值不准确造成的频率偏移影响。边带的拓宽值是根据以往的工程经验给出，经过仿真可以满足要求，也可以根据仿真结果灵活选择其他数值。

三、输出级版图布局设计

为获得高输出功率，需要输出级具有更大栅面积。实现大栅面积的方法有两种:一是使用单个大栅宽晶体管;二是将多个小栅宽晶体管进行功率合成。使用单个大栅宽晶体管进行设计的话，源、负载阻抗小，阻抗匹配难度大，且功率放大器的效率低下，被绝大多数设计摒弃。而利用常规威尔金森功率合成器将数个晶体管进行功率合成，将占用大量的芯片面积;同时随着晶体管数目增加，其设计难度呈几何级数上升，复杂的功率合成器布线也会带来损耗，影响功率合成效率。

针对上述问题，本文利用并联功率合成的原理，对功率合成电路进行改进.多组基本功放单元直接并联合成实现大功率输出。功放单元根据输入、输出以及偏置端口的对称性进行布局， 

四、射频ＭＥＭＳ滤波器结构

谐振器采用双层交指结构。两层交指结构由过孔金属连接在一起，中间介质层在双层交指之间。信号从一个端口输入，信号经过多个微带滤波器的谐振单元耦合，从另一个端口输出信号，从而实现滤波的效果。可通过改变交指谐振单元之间的间隙和交指线的长、宽、厚来改变中心频率、群延时、频宽。该滤波器具有体积小、重量轻、带内群延时平坦、带内插损低、带外抑制高的优点，其制作工艺易于实现。该Ｌ波段窄带射频ＭＥＭＳ滤波器适用于微波／毫米波频段。

五、控保电路

图2

控保电路的设计是对功率放大器工作状态的监控，完成工作数据的采集并量化，提供完善的保护机制。具体采集的数据情况如图2所示。由图2可知，控保电路最基本的数据采集是对输出功率和反射功率的实时监测，并设定了报警和保护门限；I₁、I₂分别是末级放大电路中两路晶体管的电流，由于单管输出功率大，对其电流的监控不容忽视，电流过大会直接导致晶体管失效甚至损坏。I₃是一级和二级放大电路的电流，反映出这两级晶体管的工作状态；对晶体管的+50V供电电压进行监控，同时对3路供电电源状态进行监控，PS1、PS2、PS3指示灯为绿色表明正常工作，变红表示异常。

六、功放测试

整个放大器的三级放大电路、控保电路、供电电源、环形器均放置于同一水平面，水冷板置于三级放大电路的下方，机箱选用标准的1.5U尺寸，功率放大器的信号传输介质采用比较宽的微带线，有利于散热；电路板选择同样散热比较快的介质板，经过调研采用罗杰斯RO4350B高频板，厚度为0.762mm。将末级功放电路板固定在高导热系数的紫铜金属铜板上，铜板尺寸为125.5mm×60mm×5mm，铜板背面均匀涂抹导热硅脂并通过螺丝固定，紧贴在水冷板上。

选用中国电子科技集团公司第四十一研究所的2438PB功率计和是德科技的N9020A频谱仪，通过2个耦合口来测量输出功率的各参数指标，并且与目前国内L波段千瓦级功率放大器的通用技术指标进行对比。设计的L波频段功率放大器各项测试指标良好，其性能可以达到国内先进水平。对于末级功放电路选择两路大功率合成输出的方案，散热问题是很大的考验，通过长时间老练试验，证明功率放大器能够稳定可靠地工作，这不仅减少了整机体积，而且降低了制作成本。

七、滤波器制作与测试

滤波器电路采用2英寸的MgO衬底的双面YBCO薄膜通过光刻技术制作而成。光刻技术是一种图形复印和化学腐蚀或离子束刻蚀相结合的加工技术，在半导体器件和微型集成电路制造上应用非常广泛。光刻之前，首先需要制作掩膜版，掩膜版制作完成后即可进行超导滤波器电路的刻蚀，高温超导电路的刻蚀主要包括以下八个步骤:清洁、涂胶、前烘、曝光、显影、后烘、腐蚀、去胶。光刻好的电路封装在金属屏蔽盒里，采用标准的SMA射频接头与外部电路相连，测试结果和仿真结果的对比,滤波器的测试结果与仿真结果几乎一致，这也说明了滤波器的光刻及封装工艺精度较高，对滤波器的影响较小，可以满足生产要求。

结束语

针对目前L波段固态功率放大器的高功率、小体积、低成本要求，基于LDMOS功率管设计了一种支持连续波和脉冲两种工作方式的功率放大器，工作频率为1.3GHz，带宽为±5MHz，能够稳定输出功率1200W，并选用标准的1.5U机箱尺寸，减少电源连线，集成度高，电路设计简洁，有效解决了单管大功率输出的散热问题，同时降低了制作成本。通过对样机的测试，2种工作方式的结果表明各项参数均能够满足要求，目前已在实际工程项目中使用，各项技术指标正常，输出功率稳定，可靠性高。为使得功率放大器能够应用于更多领域，下一步将考虑以该功率放大器为单模块进行多路合成，研制更大功率输出、性能更好的固态功率放大器。

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