一種Ku波段固態(tài)功率放大模塊的設(shè)計(jì)

周海進(jìn) 馬云柱 張思明 王嘉煜

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

固態(tài)功率放大模塊是雷達(dá)、通信及導(dǎo)航系統(tǒng)中的核心部件，其發(fā)射功率的大小直接決定了系統(tǒng)的作用距離、抗干擾能力及通信質(zhì)量。Ku波段及更高頻段受限于器件發(fā)展水平，單個功率放大芯片的輸出功率相對較小，為了獲得更高的功率輸出，往往需要采取功率合成技術(shù)。

功率合成網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方式較多，常用的主要包括威爾金森功分/合成器、環(huán)形電橋、Lange橋、E面波導(dǎo)分支線功分/合成器，H面波導(dǎo)裂縫電橋，魔T、徑向波導(dǎo)合成器[1-7]等形式。其中，威爾金森功分器由于隔離電阻附加參數(shù)對電路的影響在Ku及更高頻段不可忽視，在實(shí)際工程中應(yīng)用相對較少。文獻(xiàn)[1]中介紹了一種采用微帶環(huán)形電橋?qū)崿F(xiàn)Ku波段大于24W輸出的設(shè)計(jì)實(shí)例，文獻(xiàn)[2]中采用E面波導(dǎo)功分和Lange橋級聯(lián)組成8路功分/合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了Ku波段60W的功率輸出，文獻(xiàn)[3]中介紹了一種采用魔T與基于陶瓷基板的威爾金森功分器級聯(lián)組成8路功分/合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)Ku波段80W輸出的研究成果，文獻(xiàn)[4]采用H-T、雙層雙對脊鰭線、威爾金森微帶功分級聯(lián)組成32路功分/合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了80W的功率輸出，文獻(xiàn)[5]基于16路合成方式實(shí)現(xiàn)了大于180W的飽和輸出。上述文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)實(shí)例的共同特點(diǎn)都是首先基于小功率單片多路合成實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)放大模塊，再通過波導(dǎo)合成器外部合成實(shí)現(xiàn)大功率輸出，合成通道數(shù)量較多。如今隨著半導(dǎo)體功率器件發(fā)展水平的不斷提升，功率放大單片的輸出功率有了顯著提高，這有利于減少模塊內(nèi)的合成通道數(shù)量，從而提高模塊集成度和可靠性，降低設(shè)計(jì)難度。

本文通過波導(dǎo)E-T與H面波導(dǎo)裂縫電橋及波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換級聯(lián)的方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種4路功分/合成網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合40W功率放大單片，在Ku波段14%的相對帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了大于130W的脈沖飽和輸出功率。在保證性能指標(biāo)的同時，有效簡化了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，適于工程應(yīng)用。

1 組成與原理

如圖1所示，功放放大模塊鏈路組成由二級功率放大單片級聯(lián)而成，來自外部的射頻激勵信號首先經(jīng)過推動級功率放大，然后經(jīng)由微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換和一分4功分網(wǎng)絡(luò)，分別推動4個40W功率單片進(jìn)行放大，然后經(jīng)4路鏡像對稱合成輸出，同時在輸出端設(shè)置輸出功率檢測電路和反射功率檢測電路，監(jiān)測模塊工作的穩(wěn)定性。

圖1 功率放大模塊原理組成框圖

2 功分/合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在Ku波段固態(tài)功率放大模塊的設(shè)計(jì)過程中，一分四混合功分/合成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是其中的關(guān)鍵部分，其主要由波導(dǎo)E-T一分二功分/合成器、H面波導(dǎo)裂縫電橋和波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換探針組成，下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 波導(dǎo)E-T功分/合成器設(shè)計(jì)

波導(dǎo)E-T一分二功分/合成器是一種較為常用的功率分配/合成結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是工作帶寬寬，插入損耗低，相位一致性好。根據(jù)應(yīng)用需求的差異有多種變形結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)的波導(dǎo)E-T結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，為了拓寬其工作帶寬，在輸出端雙臂采用了漸進(jìn)過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過ANSYS HFSS軟件優(yōu)化計(jì)算后的S參數(shù)如圖2(b)所示，可以看出，整個工作頻帶內(nèi)S11優(yōu)于-25dB，S21和S31等分輸出輸出不平衡度優(yōu)于0.1dB。

圖2 波導(dǎo)E-T外形圖及S參數(shù)仿真結(jié)果

2.2 H面波導(dǎo)裂縫電橋

在功率合成應(yīng)用中，功率芯片輸出端口的匹配及端口間的隔離是一個不可忽略的設(shè)計(jì)要素，上述T型分支波導(dǎo)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但兩個輸出端口間的隔離度不高，不適于在合成端與功率芯片直連。H面波導(dǎo)裂縫電橋端口間的隔離度較高，在器件端合成的應(yīng)用中較為廣泛。本文設(shè)計(jì)的H面波導(dǎo)裂縫電橋如圖3(a)所示，為了抑制高次模傳輸，拓展工作帶寬，電橋交叉區(qū)域采用了階梯優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖3(b)給出了電橋S參數(shù)的仿真計(jì)算結(jié)果，可以看到，在整個工作頻帶內(nèi)，S11和S41優(yōu)于-25dB，S21和S31等分輸出不平衡度優(yōu)于0.2dB。

2.3 波導(dǎo)-微帶過渡探針

在微波毫米波系統(tǒng)中，微帶線是十分重要的傳輸形式，各功能MMIC芯片主要通過微帶線實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。低插入損耗的波導(dǎo)-微帶過渡探針裝置是基于波導(dǎo)合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部件，根據(jù)探針饋入波導(dǎo)的方式不同可分為E面探針和H面探針，本文設(shè)計(jì)的E面波導(dǎo)-微帶過渡探針結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，探針從波導(dǎo)寬邊中心距短路面1/4波長處饋入，并通過階梯阻抗線實(shí)現(xiàn)饋入終端阻抗與50Ω阻抗線的匹配，為了抑制高次模的影響，耦合開孔的尺寸也需進(jìn)行優(yōu)化。圖4(b)中給出了文中設(shè)計(jì)的波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)S參數(shù)仿真計(jì)算結(jié)果，可以看出，在整個工作頻帶內(nèi)，S11優(yōu)于-25dB，插入損耗S21優(yōu)于0.06dB。

圖4 波導(dǎo)-微帶過渡探針結(jié)構(gòu)外形圖及S參數(shù)仿真結(jié)果

2.4 一分四功分/合成混合網(wǎng)絡(luò)

在完成上述波導(dǎo)E-T結(jié)構(gòu)、H面波導(dǎo)裂縫電橋及波導(dǎo)-微帶探針過渡等部件的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，將各部件級聯(lián)形成Ku波段4路功分/合成背靠背網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。在ANSYS HFSS軟件中對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行S參數(shù)仿真計(jì)算，結(jié)果如圖5(b)所示。可以看出，在整個工作頻帶內(nèi)，4路混合功分/合成網(wǎng)絡(luò)的S11優(yōu)于-15dB，帶內(nèi)插入損耗S21優(yōu)于0.3dB，可以滿足工程應(yīng)用要求。

圖5 四路混合合成網(wǎng)絡(luò)外形圖及S參數(shù)仿真結(jié)果

3 測試與分析

在理論分析及仿真計(jì)算基礎(chǔ)之上，制作了4路功分/合成網(wǎng)絡(luò)樣件，并采用4片Ku波段40W功率放大單片，結(jié)合微組裝工藝，完成了Ku波段130W固態(tài)功率放大模塊樣機(jī)的研制，實(shí)物如圖6所示。

圖6 Ku波段130W固態(tài)功率放大模塊樣機(jī)實(shí)物圖

在脈沖寬度30μs，占空比10%的條件下，對模塊在室溫環(huán)境下性能指標(biāo)進(jìn)行了評估，指標(biāo)如表1所示。可以看出，當(dāng)外部送入信號電平為12dBm時，在Ku波段14%的相對帶寬范圍內(nèi)脈沖輸出功率均大于130W，附加效率最低27.9%，最高31.6%，按單片功率芯片標(biāo)稱功率40W計(jì)算，帶內(nèi)合成效率位于81.4%～88.5%區(qū)間范圍。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，單片的輸出功率受端口駐波匹配、腔體加工和裝配誤差、以及傳輸介質(zhì)損耗的影響，帶內(nèi)實(shí)際輸出功率均小于40W，我們選取一片同一批次生產(chǎn)的功率單片裝配后進(jìn)行輸出功率測試，計(jì)算模塊實(shí)際合成效率位于90.2%～92.9%區(qū)間范圍，考慮合成結(jié)構(gòu)自身的傳輸損耗、芯片輸出端口駐波匹配的影響，測量值基本符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

表1 Ku波段固態(tài)功率放大模塊測試結(jié)果(工作環(huán)境：+25℃，強(qiáng)迫風(fēng)冷)參數(shù)：Pin=12dBm；脈沖寬度：30μs；占空比10%；漏極電壓：Vd=28V

工作頻率輸出功率(W)工作電流(A)附加效率實(shí)際合成效率f1135.21.5331.6%92.6%f2134.61.5830.4%91.4%f3130.31.6727.9%90.2%f4132.11.6728.3%91.0%f5141.61.6131.4%92.9%

4 結(jié)束語

本文介紹了一種Ku波段固態(tài)功率放大模塊的設(shè)計(jì)方法，通過采用新型4路混合功分/合成網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合4片40W功率放大單片，在Ku波段14%相對帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了大于130W的脈沖功率輸出，為后續(xù)進(jìn)一步開展Ku波段大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)的研制奠定了基礎(chǔ)。