基于波導合成高效高功率密度Ku波段功放?

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中核心部件，其發射功率的大小直接決定了作用距離、抗干擾能力及通信質量。固態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，在目前電子系統小型化趨勢下得到廣泛應用。但固態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/合成網絡，應用廣泛，但平面傳輸線損耗大，合成效率隨合成網絡級數增加顯著下降，因而限制了放大器的數量，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180 W以上的高占空比(20%)高峰值功率輸出，為國內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Ku波段高功率GaN芯片，其指標參數如表1和圖2所示。

表1 GaN芯片的性能參數

圖2 Ga N芯片指標參數

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

模塊相位一致性經測試在±10°以內。

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)利用波導模式實現小模塊的立體安裝排布，從而實現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是探針耦合區不連續性電納。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數值遠小于j B a和j B b，略去該元件并不會產生明顯誤差，因而得到簡化模型如圖4(b)所示。圖中虛框內為波導內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，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工作狀態，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，優點是損耗小、駐波好、兩路隔離大，同時相對帶寬在10%以內性能較好;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)器在工作頻段內有良好的合成性能，合成口駐波優于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試。在Ku波段合成，主要是相位影響，而相位調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組件實測數據。

表3 170W組件實測數據

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。

[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 Nai-shuo，JIA Peng-cheng，DAVID B R，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，SEAN C O，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固態集成功率合成放大器的設計[J].微波學報，2007，23(S):116-119.

[5]彭高森，金家富.C波段高功率T/R組件設計[J].雷達科學與技術，2011，9(3):277-280.PENG Gao-sen，JIN Jia-fu.Design of C-Band High Power T/R Module[J].Radar Science and Technology，2011，9(3):277-280.(in Chinese)

[6]LEONG Y C，WEINREB S.Full Band Waveguide-to-Microstrip Probe Transitions[C]∥IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest，Anaheim，CA，USA:[s.n.]，1999:1435-1438.

[7]黨章，黃建，鄒涌泉，等.Ku波段80W連續波空間功率合成放大器設計[J].微波學報，2010，26(2):64-69.

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

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