樊錫元,張 瑞,沈項東

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥230088)

0 引言

高功率放大器是微波/毫米波無線電子系統(tǒng)中核心部件，其發(fā)射功率的大小直接決定了作用距離、抗干擾能力及通信質(zhì)量。固態(tài)放大器因其具有體積小、供電電壓低及使用壽命長、維護成本低等特點，在目前電子系統(tǒng)小型化趨勢下得到廣泛應用。但固態(tài)放大器件輸出功率有限，為獲得更大功率輸出，往往需要功率合成技術。傳統(tǒng)的電路合成技術采用威爾金森電橋、分支線電橋、Lange橋等功分/合成網(wǎng)絡，應用廣泛，但平面?zhèn)鬏斁€損耗大，合成效率隨合成網(wǎng)絡級數(shù)增加顯著下降，因而限制了放大器的數(shù)量，無法滿足高效率與大功率的要求。近年來提出的空間功率合成技術最大優(yōu)點在于合成效率高，適合多器件合成得到大功率，如準光合成、波導內(nèi)合成以及波導裂縫陣[1-4]等。但是結構上的缺陷使它們在功放散熱這個重要性能上有很大的不足，難于適應大功率輸出、高熱流密度功放場合。本文提出一種符合工程應用的高效合成方案，在Ku波段實現(xiàn)180 W以上的高占空比(20%)高峰值功率輸出，為國內(nèi)Ku頻段雷達、SAR及通信設備提供強有力的技術支撐。

1 整體方案結構

有源模塊采用Ku波段高功率輸出的Ga N功率芯片，2只15 W功率芯片合成輸出在25 W左右，構成一個功率小模塊。整個功放模塊由8只小模塊合成輸出。輸出合成部分采用高效波導合成電路與波導-微帶雙探針結合，波導采用BB180標準，大大壓縮合成空間尺寸。輸入分配電路采用微帶電路與波導微帶雙探針結合，進一步縮小分配電路空間。整體方案框圖如圖1所示。

圖1 整體方案框圖

2 電路設計

2.1 25 W小模塊設計

25W小模塊采用國產(chǎn)Ku波段高功率GaN芯片，其指標參數(shù)如表1和圖2所示。

表1 GaN芯片的性能參數(shù)

圖2 Ga N芯片指標參數(shù)

25 W模塊采用微帶威爾金森電路分配/合成2個芯片，得到輸出功率。工藝采用芯片與鉬銅載體共晶焊，再與無氧銅基座焊接，保證了芯片性能和散熱需求，同時模塊整體要求錫焊封蓋，達到氣密性要求[5]。模塊體積要求嚴格，因保證后繼波導雙探針間隔要求，其高度僅為3 mm。實物圖片如圖3所示。

圖3 25W模塊實物圖片(22 mm×19 mm×3 mm)

典型模塊測試指標如表2所示。

表2 25W模塊測試指標

模塊相位一致性經(jīng)測試在±10°以內(nèi)。

2.2 BB180波導微帶雙探針設計

BB180波導微帶雙探針是功率組件高效合成和高功率密度集成的關鍵。雙探針的功能是:(1)完成25 W小模塊微波功率傳輸由微帶半開放場模式轉(zhuǎn)化為波導場模式;(2)完成2個小模塊功率第一級分配/合成;(3)利用波導模式實現(xiàn)小模塊的立體安裝排布，從而實現(xiàn)微波功率高密度集成。

通常使用的波導-微帶過渡包括微帶探針過渡、脊波導過渡等。在這里我們采用波導微帶雙探針過渡，它是對微帶探針過渡的一種拓展，在過渡的同時實現(xiàn)兩路功分/合成。文獻[6]給出了矩形波導-同軸交叉耦合接頭的等效電路，根據(jù)這一模型可以得到矩形波導-微帶探針耦合結構等效電路如圖4(a)所示。端口1、2是波導端口，端口3是微帶端口，波導端口參考面為通過探針中心線的波導橫截面，微帶端口參考面為探針插入的波導側(cè)壁所在平面。j X s是探針插入波導對波導傳輸引入的不連續(xù)性電抗，j X p是探針本身的電感感抗，j B a、j B b和j B c是探針耦合區(qū)不連續(xù)性電納。理想變壓器變比n1、n2表示探針末端電壓與波導主模電壓以及微帶端口TEM模電壓與波導主模電壓之比值。考慮到jB c數(shù)值遠小于j B a和j B b，略去該元件并不會產(chǎn)生明顯誤差，因而得到簡化模型如圖4(b)所示。圖中虛框內(nèi)為波導內(nèi)探針本身電感和探針末端與波導壁間隙分布電容的電納。變壓器代表微帶準TEM模式與波導TE10模式的耦合，變比為兩種模式電壓之比，j B b則表示微帶端口附近局部高次模式儲能對應的電納[7]。

圖4 波導微帶雙探針等效電路模型

基于以上分析，我們采用HFSS場仿真軟件仿真，設計模型如圖5所示。

圖5 雙探針模型

設計采用RT5880微帶板，微帶電路朝內(nèi)，即面對面，在2個探針電路上方半開放場連接形成全開放空腔，以便后繼模塊安裝。模型仿真結果如圖6所示。

圖6 雙探針仿真結果

從指標結果來看，總口駐波優(yōu)于1.2，插損小于0.3 dB。

2.3 170 W組件輸出合成電路設計

170 W組件輸出合成電路為保證高效率合成采用波導合成，為減小合成空間，保證高密度功率集成，波導采用BB180波導。由于功率芯片存在一定的負載牽引效應。各個小模塊合成如隔離度差，將影響小模塊在整件內(nèi)工作狀態(tài)，達不到額定輸出功率指標，更有可能影響工作可靠性。所以在波導合成采用了波導3 dB電橋。考慮到尺寸體積，設計采用3分支結構，實現(xiàn)高密度功率集成。輸出合成電路分為3級:第1級為波導微帶雙探針;第2級為波導3 d B電橋;第3級為波導HT結構，在波導上片開波導孔輸出合成功率。

(1)波導電橋(正交耦合器)

波導正交耦合器也是一種波導形式的分路(合路)器，優(yōu)點是損耗小、駐波好、兩路隔離大，同時相對帶寬在10%以內(nèi)性能較好;缺點是體積大、結構復雜。

設計的3分支波導電橋模型如圖7所示，結果指標如圖8所示。波導正交耦合器的仿真結果，表明在工作頻段內(nèi)有良好的合成性能以及近30 dB的端口駐波和隔離度，在模塊合成電路可以有效防止駐波牽引拉偏。

圖7 3分支Ku波段波導電橋模型

圖8 波導電橋仿真結果

(2)H面的T形合成器

波導功分(功合)器用于功率合成，具有差損小、合成效率高的優(yōu)點[8-9]。類型分為E面和H面合成。H面仿真模型及結果如圖9所示。

圖9 波導HT模型及仿真結果

上面的仿真結果表明H面波導功分(功合)器在工作頻段內(nèi)有良好的合成性能，合成口駐波優(yōu)于1.1。

(3)輸出合成三級電路總成

輸出合成三級電路總成模型及仿真結果如圖10所示。

其仿真參數(shù)指標如圖11所示。

圖10 輸出合成三級電路總成模型

圖11 輸出合成三級電路總成仿真參數(shù)指標(16 GHz)

2.4 170W組件輸入分配電路設計

170 W組件輸入分配電路如圖12所示，其主要功能是:完成輸入功率1∶8分配;完成與輸出合成電路各分支的配相，同時盡可能電路小型化，減小電路面積。設計中輸入分配電路面積僅為輸出電路面積一半。輸入電路也分三級:第1級為波導微帶雙探針;第2級為微帶Lange橋，實現(xiàn)與輸出波導電橋配相;第3級為微帶威爾金森功分。設計中因雙探針為面對面結構便于小模塊安裝，造成輸入分配電路也面對面，這樣不便于整件電路相位調(diào)試。在Ku波段合成，主要是相位影響，而相位調(diào)試主要在輸入電路完成。為完成此功能，需要加入微帶傳輸垂直過渡電路。

2.5 170 W組件整體設計

170 W組件設計采用波導腔中間剖分結構，在2個對稱的鋁板上銑出半波導槽，在雙探針開放場處，加入25 W小模塊。如圖13所示，波導上片內(nèi)安裝4個小模塊，波導下片安裝4個小模塊，兩片結合形成完整波導腔，微波功率合成輸出。組件的實物尺寸為105 mm×75 mm×32 mm。

圖12 輸入分配電路(波導上片部分)

3 測試結果及分析

170W組件測試條件:脈沖寬度為25μs，占空比為19%，漏極電壓脈沖幅度為28 V。表3為170 W組件實測數(shù)據(jù)。

表3 170W組件實測數(shù)據(jù)

圖13 170W組件實物圖片(上片/下片)

4 結束語

本文對基于波導合成Ku波段170 W組件分析與優(yōu)化仿真設計，并給出了具體的仿真結果。從分析和仿真的結果和實物測試可以看出該組件功率分配/合成方式具有高的功率合成效率、結構緊湊。微波固態(tài)有源放大器可以直接固定安裝在波導腔外壁上，能夠進行有效的散熱。組件在Ku波段實現(xiàn)180 W高功率輸出，合成效率達到85%，功率附加效率達到25%，功率密度達到0.135 W/cm3。整體指標達到國內(nèi)先進水平。該功率放大器研制成功在毫米波雷達、通信及SAR領域都具有廣泛的應用前景。

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