室內型Ku頻段150 W功率放大器設計

劉立浩，王 雷，薛 騰

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

功率放大器是衛星通信系統上行鏈路的核心設備，其發射功率的大小直接決定著整個系統的作用距離、抗干擾能力和通信質量[1]。真空電子管類放大器工作在高壓環境中，其工作的可靠性、穩定性不如固態功率放大器，因此固態功率放大器在衛星通信系統中得到了廣泛應用。但單個固態功率放大器芯片的輸出功率有限，為獲得大功率輸出，需要進行功率合成[2]。

多路功率合成的效率是決定整個功率合成模塊成敗的關鍵因素[3]。在Ku頻段，如采用微帶形式合成，介質損耗較大，合成損耗隨合成級數的增加而疊加，合成效率較低[4]，因此Ku頻段高效大功率合成多采用基于波導的空間功率合成方式實現[5]。

使用Ku頻段7 W 砷化鎵(GaAs)功放芯片，采用一種2×2對脊鰭線功率合成器[6]和改進型波導H-T結相結合的新型32路功率分配/合成結構，研制出Ku頻段200 W功率合成模塊。基于該模塊，成功研制了一款室內型Ku頻段150 W功率放大器。

1 組成和原理

室內型Ku頻段150 W功率放大器主要由衰減器模塊、功放模塊、波導隔離器、耦合檢波器、監控單元、電源模塊、電源濾波器、風機、液晶和按鍵等部分組成，整機組成如圖1所示。

圖1 室內型Ku頻段150 W功率放大器組成框圖Fig.1 Block diagram of indoor Ku-band 150 W solid-state power amplifier

Ku頻段上變頻器[7]輸出的射頻信號(13.75～14.5 GHz)由“射頻輸入”端口進入室內型Ku頻段150 W功率放大器。首先經過一個同軸隔離器保證輸入端口具有良好的駐波比，射頻信號經過隔離器之后進入衰減器模塊，衰減器模塊可對信號衰減量進行設置；之后信號進入功放模塊，功放模塊由驅動放大器和200 W功率合成模塊組成，驅動放大器對信號進行小信號放大，200 W功率合成模塊對信號進行大信號放大；最后Ku頻段信號經波導隔離器和耦合檢波器后由“射頻輸出”端口輸出。

電源模塊為各模塊提供直流供電；電源模塊上帶有“EN”控制端，當功放出現過流、過溫時，監控單元可通過“EN”控制端關斷電源模塊，使功放模塊停止工作，防止功放模塊損壞，并避免非正常信號發射干擾其他信道。

監控單元負責采集功放模塊輸出信號的正向和反向檢波信號、功放模塊的溫度和電流信號，經過處理后，以RS485或LAN接口形式輸出到“監控網口”；監控單元可以控制衰減器模塊的衰減量，實現對功放整機增益的控制。

2 設計與仿真

下面對室內型Ku頻段150 W功率放大器的關鍵部件進行設計分析，使用三維電磁場仿真軟件對關鍵部件進行了建模仿真，并給出了仿真結果。

2.1 26 W功放模塊設計

2.1.1 波導—微帶對脊鰭線過渡

波導—微帶過渡要求傳輸損耗低，駐波小，應有足夠的頻帶寬度，并且結構簡單，易于加工和安裝。1972年Meier P J提出了一種經典的波導—微帶對脊鰭線過渡結構[8]，該過渡結構簡單，過渡方向與電路一致，在寬頻帶內可以實現較好的過渡性能。波導—微帶對脊鰭線過渡的漸變方式有很多，有余弦平方、拋物線以及指數線等，目前應用較為廣泛的是余弦平方漸變，其設計公式為[9]：

(1)

式中，w為50 Ω微帶線的寬度；z為鰭線傳輸線的縱向坐標(0≤z≤L)；b為波導高度；L為過渡段長度。L不能過短，過短會導致端口的反射系數較大；但也不能過長，過長導致電路損耗變大。只能采取折中的辦法，一般L取1～1.5λ0左右(其中λ0為TE10模的波導波長)。

波導—微帶對脊鰭線過渡的固有結構屬性導致其在工作頻帶內不可避免地存在諧振頻率。為了克服諧振頻率，在設計中采用添加吸波材料，安裝可調諧裝置和加載孤島金屬片等方式來解決。但這樣會增加過渡結構尺寸，提高加工難度，而且還會影響過渡特性。

因此，設計了一種新型波導—微帶對脊鰭線過渡結構，如圖2所示。與傳統的波導—微帶對脊鰭線過渡相比：鰭線漸變段不是采用余弦平方或指數函數曲線來設計，而是采用CST Microwave Studio仿真軟件的Spline曲線來進行設計；在微帶下方圓弧處沒有放置金屬孤島來抑制諧振頻率，而是靠曲線1和曲線2的彎曲程度和相互位置關系來抑制諧振頻率[10]。

圖2 新型波導—微帶對脊鰭線過渡結構Fig.2 A novel waveguide-to-microstrip antipodal finline transition

2.1.2 2×2對脊鰭線功率合成器

在波導—微帶對脊鰭線過渡結構基礎上，將鰭線變為雙對脊形式，并將轉換后的微帶線以功分形式輸出即可構成雙對脊鰭線功分器[11]。

2×2對脊鰭線包含了2層雙對脊鰭線，以WR75波導寬邊中心位置作為2個基板的對稱中心，以對稱中心將2個基板鏡像安裝，即可構成2×2對脊鰭線結構的基本形式[12]。在此基礎上對微帶線參數以及基板位置進行優化即可實現2×2對脊鰭線功率合成器[13]。2×2對脊鰭線功率合成器背靠背結構三維模型如圖3(a)所示[14]，仿真結果如圖3(b)所示。電路基板采用Rogers公司的 RT/duroid 5880介質板，介電常數為2.2，厚度為0.254 mm。

圖3 2×2對脊鰭線功率合成器背靠背結構Fig.3 The back-to-back structure of 2×2 antipodal finline power combiner

經軟件仿真可知，2×2對脊鰭線功率合成器背靠背結構在13.5～15.0 GHz頻率范圍內，插入損耗小于0.1 dB，回波損耗優于-30 dB，具有良好的功分和過渡功能。與傳統二進制功率分配/合成器相比，實現波導—微帶過渡的同時完成了功率分配/合成，從而減小了整個合成網絡的插入損耗。

2.1.3 26 W功放模塊的實現

基于微組裝工藝，使用4片Ku頻段7 W GaAs功放芯片通過2×2對脊鰭線功率合成器背靠背結構進行功率合成，最終實現了4路合成模塊。經測試，在13.75～14.5 GHz頻率范圍內，輸出功率大于26 W，合成效率達到93%。模塊實物照片如圖4所示。

圖4 26 W功放模塊實物Fig.4 Photograph of 26 W power amplifier module

2.2 改進型波導H-T結

常用的波導T型結可分為H面T型結(H-T結)和E面T型結(E-T結)[15]，均可作為固態功率合成器的基本功分/合成單元[16]。為有效改善輸入端口駐波比和拓寬工作頻率，本設計在普通波導H-T結上進行了改進，在端口2和端口3之間加入了一個調節部件[17]，該結構的三維模型如圖5(a)所示，仿真結果如圖5(b)所示。

圖5 改進型波導H-T結Fig.5 Improved waveguide H-plane T-junction

使用軟件進行仿真優化，使端口1反射最小，端口2和端口3等分功率輸出。經優化，在13.5～15.0 GHz頻率范圍內，端口1回波損耗優于-20 dB，端口2和端口3輸出的幅度不平衡度小于0.1 dB，輸出功率實現了二等分。改進型波導H-T結可以作為一個性能優良的功率分配/合成器使用。

2.3 200 W功率合成模塊設計

在2×2對脊鰭線功率合成器背靠背結構和改進型波導H-T結的基礎上，研制了一種新型32路功率分配/合成結構[18]，其模型如圖6所示。

圖6 32路功率分配/合成結構模型Fig.6 The 3D model of 32-way power-dividing/ combining structure

經軟件仿真可知，該32路功率分配/合成結構在13.75～14.5 GHz頻率范圍內，插入損耗小于0.4 dB，回波損耗優于-20 dB，是一款性能良好的功率分配/合成結構。基于微組裝工藝，使用32片Ku頻段7 W功放芯片通過32路功率分配/合成結構，成功研制了200 W功率合成模塊。從實際模塊結構上劃分，200 W功率合成模塊由8個26 W功放模塊和2組一分八波導H-T結功率分配器組成。

2.4 工程實現

室內型Ku頻段150 W功率放大器采用模塊化設計思路，衰減器模塊、功放模塊、波導隔離器、耦合檢波器、監控單元、電源模塊、電源濾波器、風機、液晶和按鍵都作為獨立模塊存在，各模塊單獨調試和測試完成之后裝入19英寸標準3U機箱，通過接插件相互連接，減少了操作環節，具有操作方便、性能可靠的優點。

功率放大器是系統中的大功率設備，其可靠性在很大程度上依賴于機箱結構的熱設計，良好的熱設計可以有效保障功放在惡劣的環境溫度下正常工作；反之，不良的熱設計將導致功放內部熱量在某一區域內積聚，使個別關鍵部件因散熱不暢而失效。熱設計的原則就是在熱源及耗散空間之間建立一條熱阻盡可能低的通道，使功放產生的熱量在盡可能短的時間內導出，使功放溫度保持在較低的熱平衡狀態[19]。

結合實際應用，該功放采用空氣強迫對流冷卻方式進行散熱，并從散熱翅片的厚度與間隔、導熱材料和預埋熱管3個方面進行了優化設計。通過優化仿真，最終選擇機箱散熱翅片厚度為1 mm，間隔3 mm，導熱材料為0.15 mm厚的石墨均溫片，散熱器預埋8根熱管。

最終研制的室內型Ku頻段150 W功率放大器實物照片如圖7所示。

圖7 室內型Ku頻段150 W功率放大器實物Fig.7 Photograph of indoor Ku-band 150 W solid-state power amplifier

3 測試結果及分析

室內型Ku頻段150 W功率放大器充分考慮了實際工程應用和產品化設計，采用220 V交流供電，配備了標準的輸入、輸出接口、耦合接口、監控網口和CAN口等。對該功放的各項性能指標進行了全面測試，結果如表1所示。

表1 室內型Ku頻段150 W功率放大器指標

測試結果表明，該功率放大器1 dB壓縮點輸出功率大于51.8 dBm(即150 W)，三階互調指標優于-25 dBc，整機性能指標優良。

4 結束語

提出了一種新型32路功率分配/合成結構，基于7 W GaAs功放芯片，成功研制了一種室內型Ku頻段150 W功率放大器，測試結果表明該產品性能指標優良。該產品充分考慮了實際工程應用和產品化設計，具有散熱好、可靠性高、操作界面友好以及易于批產等優點，機箱結構和接口符合通用標準，可原位替代進口同類產品。該產品已進行了多批次生產，經過高低溫、振動、沖擊及濕熱等各項環境試驗考核，工作穩定可靠。室內型Ku頻段150 W功率放大器可應用于Ku頻段衛星通信系統中，具有廣闊的市場應用前景。