基于波導合成高效高集成度Ku波段發射機?

樊

(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的核心部件,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、使用壽命長及維護成本低等特點,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及三明治結構疊層組裝高集成度結構設計及熱設計方案,在Ku波段實現600 W以上的高占空比(20%)高峰值功率輸出,結構空間尺寸僅為Ф410 mm×110 mm,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 發射機整體方案

Ku發射機指標要求如下：

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)

效率：18%

工作電源：DC22～29 V

發射機射頻有源電路采用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%。

方案本著盡量簡化電路形式的思想,考慮到電路間的兼容性及設計、生產成本,合理劃分模塊、組件、外圍電路。功率合成方案分3級：第1級采用2個15 W功率芯片合成組成1個25 W功率小模塊,合成方式微帶威爾金森電路;第2級采用8個25 W功率模塊合成組成1個170 W功率組件,合成方式基于波導合成與波導微帶結構;第3級采用4個170 W組件合成發射輸出,合成方式為波導合成。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

發射機整體方案框圖如圖2所示。

圖2 發射機整體方案框圖

2 電路設計

2.1 功率模塊設計

功率模塊是發射機的核心部件,也是基礎單元,實現初級集成。功率模塊分成兩級。

初級小模塊采用微帶威爾金森電路分配、合成,將2個GaN功率芯片封裝在1個小模塊內,輸出功率25 W,效率為30%。小模塊特點是輕薄小巧。由于電路尺寸小,微帶合成損耗較小;同時小尺寸也方便在后級中功率模塊疊層安裝,實現更高的功率鏈路集成。小模塊[5]結構如圖3所示。

圖3 25 W模塊圖片(22 mm×19 mm×4.7 mm)

次級中功率模塊為170 W功率組件[5]。170 W功率組件采用BB180波導電橋結合波導微帶雙探針結構,將8個小模塊輸出功率合成輸出。波導HT和波導電橋實現了Ku射頻功率高效合成,波導微帶雙探針實現了小模塊立體安裝,實現了高密度集成。中功率模塊輸出功率170 W,增益16 d B,合成效率達到90%,組件工作效率約為25%,實物圖如圖4所示。文獻[5]對170 W功率組件已有詳細敘述,本文在此不作贅述。

中功率模塊為提高結構組裝集成度,在盒體正、背面嵌入2個調制電源電路模塊及負壓分壓調整電路板,如圖5所示。調制電源電路輸入+28 V電源和脈沖調制TTL信號,通過脈沖驅動電路驅動調制開關電路,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波導合成器設計

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[6-8]。

4合1波導合成是固態發射機核心部件,它將4個170 W組件輸出功率通過波導高效合成(效率可到90%),是Ku波段發射機高功率合成的關鍵。由于發射機內部空間較小,本設計中功率傳輸采用BB180波導結構,波導合成包括：2個BB180波導E彎在波導E-T合成,之后進行BB180波導HT,轉換成BJ180波導,完成波導4合1同相合成。由于發射機要求BJ140波導輸出,之后加一節BJ180-BJ140波導轉換。設計仿真如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 波導4合1仿真模型

圖7 波導4合1總口駐波圖

圖8 波導4合1分口分配比

Ku波段波導4合1合成器由BJ140H折彎、BJ140到BJ180波導過渡、BJ180波導E折彎、BJ180直波導、BJ180波導到BJ180半波導異形ET、BJ180半波導HT組成。整個合成器形狀布局和尺寸是發射機的特殊要求而設計的,其垂直方向高度不超過60 mm,便于實現與發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4合1合成器

專題測試試驗如圖10所示。

圖10 波導4合1波導測試系統

指標測試結果如下：

(1)總口駐波測試

波導合成器總口駐波測試結果如表1所示。

表1 波導合成器總口駐波實測數據

(2)分口分配及損耗測試結果

分口性能測試如表2所示。由于測試接頭BB180/SMA轉換是鏡像安裝,存在180°反相。測試結果附加了180°反相。從測試結果可以得出結論：端口相位差別在10°以內,波導合成效率達到90%。

表2 波導合成器各端口分配比實測數據

2.3 分配器設計

發射機射頻放大鏈由64片功率單片輸出合成構成。其中1∶2分配器在25 W小模塊中采用威爾金森電路實現;1∶8在170 W組件的中模塊中采用波導雙微帶探針+Lange橋+微帶威爾金森電路實現。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個芯片推動。設計采用2個芯片合成的25 W小模塊作為推動前級。在前級輸出端加入微帶威爾金森電路,分成2路輸出。2路輸出通過電纜端接2個1∶2功分器接入4個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,功分器輸出采用微帶波導探針結構,其2個分配支臂可以作為組件相位調整電路載體。1∶2功分器如圖11所示。

圖11 1∶2功分器

2.4 疊層立體組裝結構設計

發射機射頻放大鏈主要是由4個170 W組件合成而構成,其安裝結構空間僅為1個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散熱,4個組件必須將鋁盒體貼金屬地板傳導散熱。在4個組件之上的功率輸出波導口,直接安裝4合1波導合成器,這樣既可以獲得高效合成,又可以節省立體安裝空間。組件入口直接安裝1∶2功分器。同時為進一步提高立體空間集成度,通過組件固定安裝孔,在組件之上布局DC-DC電源模塊及儲能電容板。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。疊層立體高集成度組裝如圖12所示。

發射機設備還包括前級組件、輔助電源模塊、發射監控電路板及饋線組合部件等。對剩余空間合理安排,形成緊湊高集成度布局,示意圖如圖13所示。

發射機熱仿真計算結果如圖14所示。170 W組件是主要的熱耗部件,溫控點均分布在功放模塊和組件的接觸表面上,最高溫度高達106.01℃,滿足國軍標Ⅱ降額要求。

圖12 高集成度疊層立體組裝

圖13 發射機整體布局

圖14 發射機熱計算結果

3 測試結果及分析

發射機測試條件：脈沖寬度25μs。占空比19%,漏極電壓脈沖幅度為28 V。表3為發射機實測數據。

表3 發射機實測數據

數據分析：發射機采用64片15 W功率芯片波導合成。功率輸出代數和為960 W,總合成效率在62%左右。考慮到功率芯片的相位批次一致性在±15°,相應相位合成損耗在0.5 d B;芯片功率輸出端到發射機輸出口,傳輸饋線自身損耗在0.5 d B。扣除上述因素,波導合成效率在80%左右,基本達到設計目標。在實際工作環境中,可靠性表現良好。

4 結束語

本文對基于波導合成高效高集成度Ku波段發射機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,該發射機功率分配/合成方式具有高的功率合成效率,結構緊湊,具有高集成度。微波功率組件緊貼金屬殼體地板安裝,可以有效進行傳導散熱。發射機在Ku波段實現600 W高功率輸出,總合成效率達到80%,功率附加效率達到18%,整體指標達到國內先進水平。該發射機研制成功,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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