微波功率放大器的研究现状

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随着无线通信和军事领域新标准新技术的发展，日益要求提高微波固态功率放大器的性能，使之在更宽的频带内，具有更高的输出功率、效率、可靠性以及线性度。例如在无线通信系统中，为了增大基站的覆盖范围，减小固定区域内所需要设置的基站数以节约成本，要求提高功率放大器的输出功率；为了易于热控制，降低通信运营商的运营成本，要求提高功率放大器的效率；在第三代移动通信(3G)系统中，系统采用了线性调制方式，需要对多路载波同时进行放大，此时峰-均比可达10～13dB，信道载波间的频谱泄漏主要取决于功率放大器的线性，因此要求提高功率放大器的线性。65556

微波功率器件的发展使微波固态功率放大器的发展成为可能。1948年Shoekly、Bardeen和Brittain等人发明硅双极晶体管(BJT)，从那时起，对它进行了持续不断的研究和改进，BJT是目前应用最广泛的半导体器件之一。就微波应用而言，硅微波晶体管主要在S波段以下使用，其优点是价格便宜、可靠性高，单管连续波输出功率在几百MHz频段高达250W。1952年提出了结型场效应管(JFET)，随后砷化镓肖特基势垒场效应管(GaAsFET)应运而生。70年代以后， GaAs单晶及其外延技术获得突破，砷化镓金属半导体场效应晶体管(GaAsMESFET)研制成功。GaAsMESFET微波固态功率放大器具有高频率、低噪声、大功率等一系列优点。现有的功率 GaAsMESFET在S波段单管可产生80W的射频输出功率，其功率附加效率(PAE)可达40%，在Ka波段功率输出有lW，而功率附加效率约为20%。进入80年代，由于分子束外延技术(MBE)和金属有机化学气相淀积(MOCVD)技术的进展，超薄外延层的厚度及杂质浓度得到精确控制，使异质结器件迅速发展，由AlGaAs/GaAs或InP/ InGaAs组成的异质结双极晶体管(HBT)相继研制成功，采用这些器件设计的微波功率放大器能提供更高的增益、效率，具有更好的高频特性，可应用到毫米波段，且只需单极性电源偏置。到90年代，基于新电气结构的多种新型固态功率器件相继出现，如高电子迁移管(HEMT)，以及赝晶高电子迁移率晶体管(PHEMT)，异质结场效应管(HFET)，同时使用了多种新材料如InP、SiC、SiGe及GaN等，这些器件具有更高的工作频率和功率输出能力。用SiC材料制造的功率管的功率密度为Si和GaAs器件的3～4倍。基于GaAs材料的高电子迁移率晶体管 (HEMT)和赝晶高电子迁移率晶体管(PHEMT)功率放大器具有相当高的频率特性，在K波段其功率输出能力达lW/mm栅宽，并广泛应用于宽带功率放大器设计中。在S波段及以下频段，边缘扩散金属氧化物晶体管(LDMOS)具有良好的射频性能，具有高效率、高增益及高线性。Freescale公司设计的LDMOS单管输出功率高达270W，广泛应用于移动通信系统设计。论文网

在微波技术方面，由于微处理控制技术和DSP技术的出现和发展，使得各种功率放大器线性化技术得到广泛应用，如使用复杂的前馈技术和预失真技术来提高功率放大器的效率及线性度；功率合成技术的发展，使我们可以采用微波固态器件在微波频段输出高达几十千瓦的功率；宽带技术使我们可以利用微波固态器件对带宽达十几个GHz以上的信号进行放大；与此同时，效率增强技术为我们提高微波固态功率放大器的效率提供了方便。此外，制造工艺的进步使微波单片集成电路(MMIC)快速发展，这是一种可以在几平方毫米GaAs基片上集成微波放大器电路的技术，其体积小、增益高，已越来越受到用户的青睐。

如今，通过采用新型的微波器件和新颖的微波技术，人们己经开发出各种微波固态功率放大器来满足通信及军事上的需求。例如，Aethercomm公司推出的一款SiC功率放大器，工作频带为1.0～2.5GHz，增益为49dB，1dB输出功率15W，在-40°C～+85°C增益波动为士0.5dB，在高温工作状态下，平均无故障时间不会出现退变;在高功率输出方面，国内已研制出S波段16KW的固态发射机，工作频带为2.7～2.9GHz，脉宽为100 ，10%占空比，由32个600W功率放大器合成，效率为 21%；ShuogiChen等人在Ka波段研制的功率放大器，使用了GaAs PHEMT功率管和MMIC技术，整块电路的面积为 7.44 ，典型小信号增益为21dB，1dB压缩点输出功率为33dBm；Grant A.Ellis等人在W波段使用HBT制作的功率放大器，在频率94.5GHz处增益为8.5dB，输出功率为14.4dBm；在W-CDMA通信基站中，功率放大器使用了线性化技术和效率增强技术后，在满足高线性度的前提下，效率已经由以前的10%左右提高到30%，大大降低了基站的运营成本。