樊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)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(wú)線電子系統(tǒng)中的核心部件,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、使用壽命長(zhǎng)及維護(hù)成本低等特點(diǎn),在目前電子系統(tǒng)小型化趨勢(shì)下得到廣泛應(yīng)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(shù)。傳統(tǒng)的電路合成技術(shù)采用威爾金森電橋、分支線電橋、Lange橋等功分/合成網(wǎng)絡(luò),應(yīng)用廣泛,但平面?zhèn)鬏斁€損耗大,合成效率隨合成網(wǎng)絡(luò)級(jí)數(shù)增加顯著下降,因而限制了放大器的數(shù)量,無(wú)法滿足高效率與大功率的要求。近年來(lái)提出的空間功率合成技術(shù)最大優(yōu)點(diǎn)在于合成效率高,適合多器件合成得到大功率,如準(zhǔn)光合成、波導(dǎo)內(nèi)合成以及波導(dǎo)裂縫陣[1-4]等。但是結(jié)構(gòu)上的缺陷使它們?cè)诠Ψ派徇@個(gè)重要性能上有很大的不足,難于適應(yīng)大功率輸出、高熱流密度功放場(chǎng)合。本文提出一種符合工程應(yīng)用的高效合成及三明治結(jié)構(gòu)疊層組裝高集成度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及熱設(shè)計(jì)方案,在Ku波段實(shí)現(xiàn)600 W以上的高占空比(20%)高峰值功率輸出,結(jié)構(gòu)空間尺寸僅為Ф410 mm×110 mm,為國(guó)內(nèi)Ku頻段雷達(dá)、SAR及通信設(shè)備提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1 發(fā)射機(jī)整體方案

Ku發(fā)射機(jī)指標(biāo)要求如下：

工作頻率：Ku波段

工作帶寬：1 GHz

輸出功率：560 W(峰值)

輸入功率：10 m W

脈沖寬度：40μs

工作比：19%(短時(shí))

效率：18%

工作電源：DC22～29 V

發(fā)射機(jī)射頻有源電路采用Ku波段高功率輸出的GaN功率芯片,工作電壓為28 V,輸出功率在15 W,效率大于30%。

方案本著盡量簡(jiǎn)化電路形式的思想,考慮到電路間的兼容性及設(shè)計(jì)、生產(chǎn)成本,合理劃分模塊、組件、外圍電路。功率合成方案分3級(jí)：第1級(jí)采用2個(gè)15 W功率芯片合成組成1個(gè)25 W功率小模塊,合成方式微帶威爾金森電路;第2級(jí)采用8個(gè)25 W功率模塊合成組成1個(gè)170 W功率組件,合成方式基于波導(dǎo)合成與波導(dǎo)微帶結(jié)構(gòu);第3級(jí)采用4個(gè)170 W組件合成發(fā)射輸出,合成方式為波導(dǎo)合成。射頻放大鏈功率合成原理框圖如圖1所示。

圖1 射頻放大鏈功率合成原理框圖

發(fā)射機(jī)整體方案框圖如圖2所示。

圖2 發(fā)射機(jī)整體方案框圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 功率模塊設(shè)計(jì)

功率模塊是發(fā)射機(jī)的核心部件,也是基礎(chǔ)單元,實(shí)現(xiàn)初級(jí)集成。功率模塊分成兩級(jí)。

初級(jí)小模塊采用微帶威爾金森電路分配、合成,將2個(gè)GaN功率芯片封裝在1個(gè)小模塊內(nèi),輸出功率25 W,效率為30%。小模塊特點(diǎn)是輕薄小巧。由于電路尺寸小,微帶合成損耗較小;同時(shí)小尺寸也方便在后級(jí)中功率模塊疊層安裝,實(shí)現(xiàn)更高的功率鏈路集成。小模塊[5]結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 25 W模塊圖片(22 mm×19 mm×4.7 mm)

次級(jí)中功率模塊為170 W功率組件[5]。170 W功率組件采用BB180波導(dǎo)電橋結(jié)合波導(dǎo)微帶雙探針結(jié)構(gòu),將8個(gè)小模塊輸出功率合成輸出。波導(dǎo)HT和波導(dǎo)電橋?qū)崿F(xiàn)了Ku射頻功率高效合成,波導(dǎo)微帶雙探針實(shí)現(xiàn)了小模塊立體安裝,實(shí)現(xiàn)了高密度集成。中功率模塊輸出功率170 W,增益16 d B,合成效率達(dá)到90%,組件工作效率約為25%,實(shí)物圖如圖4所示。文獻(xiàn)[5]對(duì)170 W功率組件已有詳細(xì)敘述,本文在此不作贅述。

中功率模塊為提高結(jié)構(gòu)組裝集成度,在盒體正、背面嵌入2個(gè)調(diào)制電源電路模塊及負(fù)壓分壓調(diào)整電路板,如圖5所示。調(diào)制電源電路輸入+28 V電源和脈沖調(diào)制TTL信號(hào),通過(guò)脈沖驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)調(diào)制開(kāi)關(guān)電路,輸出脈沖+28 V電源,輸出峰值電流10 A。

圖4 170 W組件實(shí)物圖片(105 mm×75 mm×32 mm)

圖5 組件高集成度組裝圖

2.2 4合1波導(dǎo)合成器設(shè)計(jì)

波導(dǎo)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(diǎn)[6-8]。

4合1波導(dǎo)合成是固態(tài)發(fā)射機(jī)核心部件,它將4個(gè)170 W組件輸出功率通過(guò)波導(dǎo)高效合成(效率可到90%),是Ku波段發(fā)射機(jī)高功率合成的關(guān)鍵。由于發(fā)射機(jī)內(nèi)部空間較小,本設(shè)計(jì)中功率傳輸采用BB180波導(dǎo)結(jié)構(gòu),波導(dǎo)合成包括：2個(gè)BB180波導(dǎo)E彎在波導(dǎo)E-T合成,之后進(jìn)行BB180波導(dǎo)HT,轉(zhuǎn)換成BJ180波導(dǎo),完成波導(dǎo)4合1同相合成。由于發(fā)射機(jī)要求BJ140波導(dǎo)輸出,之后加一節(jié)BJ180-BJ140波導(dǎo)轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)仿真如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 波導(dǎo)4合1仿真模型

圖7 波導(dǎo)4合1總口駐波圖

圖8 波導(dǎo)4合1分口分配比

Ku波段波導(dǎo)4合1合成器由BJ140H折彎、BJ140到BJ180波導(dǎo)過(guò)渡、BJ180波導(dǎo)E折彎、BJ180直波導(dǎo)、BJ180波導(dǎo)到BJ180半波導(dǎo)異形ET、BJ180半波導(dǎo)HT組成。整個(gè)合成器形狀布局和尺寸是發(fā)射機(jī)的特殊要求而設(shè)計(jì)的,其垂直方向高度不超過(guò)60 mm,便于實(shí)現(xiàn)與發(fā)射組件一體化疊層立體組裝。其外形如圖9所示。

圖9 Ku波段波導(dǎo)4合1合成器

專題測(cè)試試驗(yàn)如圖10所示。

圖10 波導(dǎo)4合1波導(dǎo)測(cè)試系統(tǒng)

指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如下：

(1)總口駐波測(cè)試

波導(dǎo)合成器總口駐波測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 波導(dǎo)合成器總口駐波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

(2)分口分配及損耗測(cè)試結(jié)果

分口性能測(cè)試如表2所示。由于測(cè)試接頭BB180/SMA轉(zhuǎn)換是鏡像安裝,存在180°反相。測(cè)試結(jié)果附加了180°反相。從測(cè)試結(jié)果可以得出結(jié)論：端口相位差別在10°以內(nèi),波導(dǎo)合成效率達(dá)到90%。

表2 波導(dǎo)合成器各端口分配比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2.3 分配器設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)射頻放大鏈由64片功率單片輸出合成構(gòu)成。其中1∶2分配器在25 W小模塊中采用威爾金森電路實(shí)現(xiàn);1∶8在170 W組件的中模塊中采用波導(dǎo)雙微帶探針+Lange橋+微帶威爾金森電路實(shí)現(xiàn)。64片功率單片按單片增益20 dB,扣除分配損耗3 d B,需要2個(gè)芯片推動(dòng)。設(shè)計(jì)采用2個(gè)芯片合成的25 W小模塊作為推動(dòng)前級(jí)。在前級(jí)輸出端加入微帶威爾金森電路,分成2路輸出。2路輸出通過(guò)電纜端接2個(gè)1∶2功分器接入4個(gè)170 W組件功率入口。1∶2功分器也采用微帶威爾金森電路,由于組件入口為BB180波導(dǎo),功分器輸出采用微帶波導(dǎo)探針結(jié)構(gòu),其2個(gè)分配支臂可以作為組件相位調(diào)整電路載體。1∶2功分器如圖11所示。

圖11 1∶2功分器

2.4 疊層立體組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)射頻放大鏈主要是由4個(gè)170 W組件合成而構(gòu)成,其安裝結(jié)構(gòu)空間僅為1個(gè)Ф400 mm×100 mm密閉空間。由于170 W組件為高熱耗部件,組件散熱方式只能選擇熱沉傳導(dǎo)散熱,4個(gè)組件必須將鋁盒體貼金屬地板傳導(dǎo)散熱。在4個(gè)組件之上的功率輸出波導(dǎo)口,直接安裝4合1波導(dǎo)合成器,這樣既可以獲得高效合成,又可以節(jié)省立體安裝空間。組件入口直接安裝1∶2功分器。同時(shí)為進(jìn)一步提高立體空間集成度,通過(guò)組件固定安裝孔,在組件之上布局DC-DC電源模塊及儲(chǔ)能電容板。DC-DC電源模塊為半磚504 W的DC-DC變換器,其平面尺寸與組件相當(dāng)。疊層立體高集成度組裝如圖12所示。

發(fā)射機(jī)設(shè)備還包括前級(jí)組件、輔助電源模塊、發(fā)射監(jiān)控電路板及饋線組合部件等。對(duì)剩余空間合理安排,形成緊湊高集成度布局,示意圖如圖13所示。

發(fā)射機(jī)熱仿真計(jì)算結(jié)果如圖14所示。170 W組件是主要的熱耗部件,溫控點(diǎn)均分布在功放模塊和組件的接觸表面上,最高溫度高達(dá)106.01℃,滿足國(guó)軍標(biāo)Ⅱ降額要求。

圖12 高集成度疊層立體組裝

圖13 發(fā)射機(jī)整體布局

圖14 發(fā)射機(jī)熱計(jì)算結(jié)果

3 測(cè)試結(jié)果及分析

發(fā)射機(jī)測(cè)試條件：脈沖寬度25μs。占空比19%,漏極電壓脈沖幅度為28 V。表3為發(fā)射機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

表3 發(fā)射機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)分析：發(fā)射機(jī)采用64片15 W功率芯片波導(dǎo)合成。功率輸出代數(shù)和為960 W,總合成效率在62%左右?？紤]到功率芯片的相位批次一致性在±15°,相應(yīng)相位合成損耗在0.5 d B;芯片功率輸出端到發(fā)射機(jī)輸出口,傳輸饋線自身?yè)p耗在0.5 d B?？鄢鲜鲆蛩?波導(dǎo)合成效率在80%左右,基本達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。在實(shí)際工作環(huán)境中,可靠性表現(xiàn)良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于波導(dǎo)合成高效高集成度Ku波段發(fā)射機(jī)分析與優(yōu)化仿真設(shè)計(jì),并給出了具體的仿真結(jié)果。從分析和仿真的結(jié)果和實(shí)物測(cè)試可以看出,該發(fā)射機(jī)功率分配/合成方式具有高的功率合成效率,結(jié)構(gòu)緊湊,具有高集成度。微波功率組件緊貼金屬殼體地板安裝,可以有效進(jìn)行傳導(dǎo)散熱。發(fā)射機(jī)在Ku波段實(shí)現(xiàn)600 W高功率輸出,總合成效率達(dá)到80%,功率附加效率達(dá)到18%,整體指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。該發(fā)射機(jī)研制成功,在毫米波雷達(dá)、通信及SAR領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]ORTIZ S C,HUBERT J,MIRTH L,et al.A High-Power Ka-Band Quasi-Optical Amplifier Array[J].IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques,2002,50(2)：487-494.

[2]CHENG Naishuo,JIA Pengcheng,RENSCH D B,et al.A 120W X-Band Spatially Combined Solid-State Amplifier[J].IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques,1999,47(12)：2557-2561.

[3]JIANG Xin,LIU Li,ORTIZ S C,et al.A Ka-Band Power Amplifier Based on a Low-Profile Slotted-Waveguide Power-Combing/Dividing Circuit[J].IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques,2003,51(1)：144-147.

[4]陳昌明,徐軍,薛良金,等.Ka頻段6W固態(tài)集成功率合成放大器的設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào),2007,23(增刊)：116-119.CHEN Changming,XU Jun,XUE Liangjin,et al.Design of 6 W Solid-State Integrated Power-Combining Amplifier at Ka-Band[J].Journal of Microwaves,2007,23(S1)：116-119.(in Chinese)

[5]樊錫元,張瑞,沈項(xiàng)東.基于波導(dǎo)合成高效高功率密度Ku波段功放[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2014,12(2)：223-228.FAN Xiyuan,ZHANG Rui,SHEN Xiangdong.High Efficiency and High Power Density Ku-Band Power Amplifier Based on Waveguide Combiner[J].Radar Science and Technology,2014,12(2)：223-228.(in Chinese)

[6]徐建華,蔡昱,汪珍勝,等.Ka波段100W固態(tài)功率合成器[J].電子與封裝,2010,10(9)：5-7.

[7]劉志紅,武華鋒,李兵.Ka波段高效緊湊型功率放大器設(shè)計(jì)[J].火控雷達(dá)技術(shù),2013,42(2)：59-63.LIU Zhihong,WU Huafeng,LI Bing.Design of a Ka-Band High Efficiency Compact Power Amplifier[J].Fire Control Radar Technology,2013,42(2)：59-63.(in Chinese)

[8]蔡昱,馮鶴,曹海勇.Ku波段寬帶固態(tài)功率放大器[J].電子與封裝,2011,11(2)：30-33.