郭垚

（西安電子工程研究所，陜西 西安 710100）

20 世紀(jì)末到21 世紀(jì)初，固態(tài)發(fā)射機(jī)技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到重視并開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段。原雷達(dá)發(fā)射機(jī)的電真空器件存在壽命短、可靠性差、開(kāi)機(jī)燈絲預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)等現(xiàn)象，而固態(tài)發(fā)射機(jī)相比于電真空管擁有高安全性、高效率、高可靠性、瞬時(shí)帶寬寬、體積小等明顯優(yōu)點(diǎn)，且由于采用了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的功率放大組件，具有很大的靈活性和良好的互換性，因此越來(lái)越成為電真空雷達(dá)發(fā)射機(jī)的替代產(chǎn)品[1-3]。

1 固態(tài)發(fā)射機(jī)組成原理

固態(tài)發(fā)射機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)放大模塊、功率放大模塊、功率分配/合成器、定向耦合器、環(huán)行器、電源偏置及檢測(cè)電路等組成（圖1）。信號(hào)輸入后經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大模塊放大后輸出至功率分配器分成多路，經(jīng)過(guò)功率放大模塊，功率放大后的多路信號(hào)經(jīng)過(guò)功率合成后通過(guò)定向耦合器環(huán)行器輸出。

圖1 發(fā)射機(jī)鏈路框圖

整個(gè)固態(tài)發(fā)射機(jī)的核心組件是功率放大模塊，其中主要器件是功率放大器，選用高效率的功率放大器件是實(shí)現(xiàn)大功率發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵。20 世紀(jì)70 年代以來(lái)，微波單片集成電路（MMIC）以其小型化、穩(wěn)定性高、易量產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，在雷達(dá)系統(tǒng)中被廣泛使用。氮化鎵材料（GaN）擁有寬禁帶、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、高飽和電子漂移速率，相比于前兩代硅（Si）、砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體基片材料，氮化鎵單片微波集成電路（GaN MMIC）擁有更高的飽和輸出功率、更高的工作頻率和熱導(dǎo)率，因此基于MMIC 的高效率氮化鎵功率放大器作為發(fā)射機(jī)核心功率放大器件是更合適的選擇[4-5]。

2 固態(tài)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

工作頻率：X 波段（10～11GHz）；發(fā)射輸出峰值功率：1kW；冷卻方式：風(fēng)冷。

功率放大模塊的主要功能是對(duì)輸入的脈沖微波信號(hào)進(jìn)行功率放大、對(duì)八路功率進(jìn)行合成。功率放大模塊的輸入功率預(yù)設(shè)為40dBm，輸出功率大于等于58dBm，模塊內(nèi)部GaN 功率放大器的增益約為21dB，確保功率放大器飽和深度小于2dB，使得功率放大器處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

2.2 模塊間的功率分配/合成器

功率分配/合成器有兩類，一類是作為將驅(qū)動(dòng)放大模塊的輸出功率等幅同相功分、將兩個(gè)功率放大模塊的輸出功率進(jìn)行等幅同相合成；另一類是在功率合成模塊內(nèi)部進(jìn)行輸入功率分配、放大以及合成。低頻段的固態(tài)發(fā)射機(jī)因?yàn)閭鬏敼β瘦^小，通常選擇的是微帶功率分配/合成器，由于微帶傳輸功率較小，選用波導(dǎo)形式的功率分配/合成器，波導(dǎo)功分器插損小，合成效率較高。

波導(dǎo)形式的功率分配器比較典型就是H-T 等功分器，也稱為H-T 接頭（圖2），分支臂在矩形波導(dǎo)窄邊上。當(dāng)各端口波導(dǎo)中只傳輸TE10模，且導(dǎo)波從其中一個(gè)端口輸入，其余各端口均接匹配負(fù)載時(shí)，H-T 接頭具有以下特性：當(dāng)作為功率分配器時(shí)，兩支分支臂等幅同相輸出；當(dāng)作為功率合成器時(shí)，兩支分支臂等幅同相輸入時(shí)，另一端口有最大輸出功率。

圖2 H-T 仿真模型圖

仿真波導(dǎo)口尺寸為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)尺寸22.86×10.15mm2，中間做了模型優(yōu)化，仿真結(jié)果可知分支臂兩端口的插入損耗小于0.1dB，合成輸出端口駐波小于1.25，見(jiàn)圖3-4。

圖3 H-T 插入損耗圖

2.3 功率放大模塊中的功率分配/合成器

圖4 H-T 分配/合成端口駐波圖

3dB 功分器是以二進(jìn)制為基礎(chǔ)的功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的基本單元，對(duì)輸入功率進(jìn)行90°相差等幅功分，一般的3dB 分支電橋耦合器都采取五分支的結(jié)構(gòu)，為了降低加工難度，采取了四分支線的結(jié)構(gòu)（圖5），增加了耦合孔間距。雖然減小了分支線數(shù)目會(huì)一定程度上減小耦合器的帶寬，但可以通過(guò)改變分支線的長(zhǎng)度、間距等方法彌補(bǔ)。

為了方便功分器與功率放大器的連接，需要采取波導(dǎo)- 微帶的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，而空間功率合成的常用過(guò)渡形式有探針過(guò)渡和波導(dǎo)開(kāi)窗過(guò)渡。波導(dǎo)開(kāi)窗過(guò)渡是一種諧振式結(jié)構(gòu)，其帶寬較窄，理論分析表明其相對(duì)帶寬在10%左右，且難以保證準(zhǔn)確裝配，裝配引入的誤差很大，仿真結(jié)果和實(shí)際結(jié)果有很大差別[6-7]。而探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)是加工準(zhǔn)確，同時(shí)裝配方便，實(shí)驗(yàn)表明仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合很好。故選用微帶探針過(guò)渡（圖5），同時(shí)微帶探針具有良好的寬帶特性。微帶基片沿波導(dǎo)寬邊中心對(duì)稱垂直伸入波導(dǎo)，探針?biāo)谖恢门c波導(dǎo)橫截面相垂直。輸入信號(hào)通過(guò)兩級(jí)3dB 電橋分成四路，再由雙探針結(jié)構(gòu)1:2 功分，從而實(shí)現(xiàn)1:8 功率分配，功率放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)與1:8 功分器對(duì)稱的8:1 功率合成器功率合成。

圖5 E 面3dB 分支電橋及雙探針?lè)抡婺Ｐ蛨D

定向耦合器輸入功率后至微帶輸出的4 個(gè)端口，各支路的傳輸損耗均小于0.4dB，輸入輸出端口駐波小于1.2，見(jiàn)圖6-7。

圖6 插入損耗

圖7 輸入輸出端口駐波

2.4 功率放大模塊平面圖示

功率放大模塊采用8 路100W-GaN 功率器件雙探針波導(dǎo)3dB 合成方式實(shí)現(xiàn)。輸入信號(hào)通過(guò)兩級(jí)3dB 電橋分成四路，再由雙探針結(jié)構(gòu)1:2 功分，從而實(shí)現(xiàn)1:8 功率分配，功率放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)與1:8 功分器對(duì)稱的8:1 功率合成器功率合成。功率放大模塊分為兩個(gè)面對(duì)面對(duì)稱模塊，每個(gè)模塊由1:4 3dB 電橋、波導(dǎo)- 微帶過(guò)渡、四個(gè)功率放大器、微帶- 波導(dǎo)過(guò)渡、4:1 3dB 電橋、四塊電源調(diào)制板、一塊電源模板等組成，見(jiàn)圖8。

圖8 功率放大模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 散熱設(shè)計(jì)

整體發(fā)射機(jī)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)強(qiáng)迫風(fēng)冷進(jìn)行散熱，系統(tǒng)內(nèi)模塊單元自身銑出散熱齒，由大功率風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽風(fēng)。

散熱器的表面溫度由環(huán)境溫度、空氣從散熱器上吸收熱量后的溫升以及散熱器對(duì)通道內(nèi)冷卻空氣的溫升這三部分溫度構(gòu)成?？諝鈴纳崞魃衔諢崃亢蟮臏囟仍黾尤Q于器件耗散功率和總的空氣流量。散熱器對(duì)通道內(nèi)冷卻空氣的溫升取決于通過(guò)散熱器的風(fēng)速以及空氣流量，通過(guò)散熱器的風(fēng)速又與散熱器的幾何形狀有關(guān)。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

測(cè)試時(shí)在25°、-40°和55°輸入功率7dBm，在10～11GHz 每隔100MHz 選擇一個(gè)頻點(diǎn)測(cè)量其輸出功率的大小。結(jié)果顯示在55?條件下，在10.9 和11.0GHz 的頻點(diǎn)輸出功率小于1kW，其余頻點(diǎn)輸出功率均大于1kW，測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)圖9。

圖9 不同溫度下的輸出功率

4 結(jié)論

本文通過(guò)采用先進(jìn)的GaN 功率器件和比較成熟的固態(tài)發(fā)射機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的功率放大模塊，為C/X/Ku 波段大功率模塊的實(shí)現(xiàn)提供一條途徑。文章通過(guò)對(duì)兩類功率分配/合成器的建模與仿真，為實(shí)現(xiàn)大功率傳輸、多路功率以及波導(dǎo)- 微帶的過(guò)渡結(jié)構(gòu)提供了一些借鑒性的方法，后續(xù)改進(jìn)方向可以把波導(dǎo)換為帶狀線，既可以承受大功率又可以進(jìn)一步縮小體積。通過(guò)實(shí)物測(cè)試，在10～11GHz 頻帶內(nèi)，輸入7dBm 功率，實(shí)測(cè)輸出功率1kW 以上，滿足設(shè)計(jì)要求。