Ku波段固態功率模塊的研究

楊 強，袁曉磊

20世紀80年代以來，伴隨著GaAs、GaN等新材料及HBT、HEMT等半導體新工藝的發展和完善，微波單片集成電路的性能和制備技術日趨成熟，相應的，發射機固態化及其優點逐步獲得工程認可，廣泛應用于地面、車載、機載等雷達領域[1]。為實現更大的作用距離、更好地抗干擾能力，現代制導、雷達等微波系統對發射機的功率輸出能力要求越來越高，而鑒于半導體功率器件有限的輸出能力，功率合成技術獲得了廣泛關注[2]。為實現較大的功率輸出量級，獲得較高的合成效率，需要針對具體的工程應用背景對合成單元的功率能力、單元間的幅相一致性和結構體積進行綜合考慮[3]。

針對日益受到關注的Ku頻段，為滿足雷達和制導工作背景的特定需要，研制設計了不同形式的功率模塊，內部集成有調制和電源處理功能，具有適應調制信號重頻及高占空比連續可變的優點，具備電氣、結構及可靠性等指標綜合適應性。

1 理論分析

作為合成系統的基礎單元，功率模塊設計伊始，應針對系統的應用背景綜合考慮。Ku頻段工程應用十分廣泛，不同背景的使用要求也有所區別，例如彈載發射機通常工作帶寬窄、占空比高、體積小、工作時間短，要求模塊化設計圍繞小型化進行相應的微波和熱設計；地面雷達通常工作帶寬寬、占空比低、工作時間長，要求模塊化設計以長期穩態可靠性為重點進行相應的設計。

模塊的實現方式可以是級聯高增益，也可以是合成功率子單元，前者降低驅動設計難度，后者簡化合成器支路數；為降低工藝和器件不一致性的影響，綜合高功率系統的結構設計和工藝實現，合成子單元形式更有利于改善合成系統的設計復雜性。

功率子單元的實現可以采用平面合成形式，平面合成器類型可以是功分形式的，例如威爾金森功分器，也可以是耦合形式的，例如蘭格電橋、平衡電橋、環形電橋等；此外借助三維電磁場仿真軟件，微帶魔T形式的功分電路形式也獲得了實現和應用。基于集成性、裝配便易性及成本考慮，平面合成器通常采用介質基板制備，而芯片化合成器能進一步提高模塊空間利用率。近年來，波導基的空間合成技術受到廣泛關注，該技術的關鍵之處在于采用基于天線原理的探針或模式轉換原理的鰭線結構實現波導與平面帶線間能量傳輸的低損過渡。空間合成效率高，特別適用于高頻能量傳輸，但機加工要求較高，結構、散熱及密封性等性能較之平面合成實現方式有所欠缺。

2 設計及性能測試

綜合以上分析，結合平面合成和空間合成技術各自的特點，針對不同應用背景設計并實現了三種形式的功率模塊，采用中國電子科技集團公司第十三研究所設計的功率放大器芯片制備，形式與特性分別介紹如下。

模塊一：模塊的合成器采用威爾金森功分器形式，模塊的接口形式為波導BJ180，采用微帶探針方式實現平面化過渡，工作帶寬可覆蓋波導帶寬。在三維仿真CAD軟件HFSS中建模并進行相應的仿真，微帶探針的模型及仿真曲線如圖1所示，在關注的Ku頻段內，無源插入損耗≤0.2dB，具有良好的匹配特性。

基于該種形式，設計并實現了一種功率模塊，在Ku頻段1GHz頻率帶寬范圍內，輸出峰值功率≥43dBm，模塊效率≥24%。該種形式的功率模塊可同平面集成微波和調制電路，由于模塊厚度僅受限于波導短路面的深度尺寸，其余部分均為平面電路結構，因而模塊的厚度最小，可實現最小厚度尺寸僅為8mm。

圖1 微帶探針的模型及仿真曲線

模塊二：采用微帶魔T功分器形式設計合成器。在微波仿真軟件中進行三維建模和仿真，微帶魔T的合成結構模型及仿真情況如圖2所示。根據仿真結果，合成結構的背對背插入損耗低于0.1dB.由于采用的是魔T原理，因此支路間的隔離效果可達25dB以上，隔離端達35dB以上，具有較好的匹配特性。電路的相對帶寬約達18%。

基于該種形式設計并實現了一種功率模塊，接口形式為波導BJ180，采用微帶探針方式實現平面化過渡。在Ku頻段1GHz頻率帶寬范圍內，輸出峰值功率≥43dBm，模塊效率≥24%。具有良好的耐功率特性，適用于高占空比工作模式。由于合成部分也是平面化安裝的，只是微帶魔T的隔離端部分需要在背面局部開槽防止短路，因而該種形式的功率模塊最小可實現厚度約10mm。

圖2 微帶魔T合成結構模型及仿真結果

模塊三：合成器采用波導雙探針形式，接口形式為波導BJ180，相對工作帶寬約25%。在三維仿真CAD軟件HFSS中建模并進行相應的仿真，合成結構具有良好的損耗特性，仿真結果顯示，背對背理論損耗低于0.2dB。端口回波損耗優于15dB，結構模型及仿真情況如圖3所示。

依據模型進行實際電路設計，實測背對背損耗低于0.4dB，在Ku頻段1GHz頻率帶寬范圍內，設計的有源功率模塊，輸出峰值功率≥43.5dBm，模塊效率≥27%，具有比較理想的合成效果。

圖3 波導雙探針模型及仿真結果

上述功率模塊均具有良好的功率擴展能力，由于模塊內部已集成調制和電源處理電路，非常便于進一步合成實現更高功率規格的功率單元或發射機。設計了一款由4個模塊拼合實現的80W功率單元，6kHz重頻條件下，實測頂降≤5%，上升沿時間≤5ns，下降沿時間≤7ns，具有良好的脈沖調制響應特性。

3 結論

針對Ku頻段典型的應用背景及其特點，設計并制備了3種不同合成形式的固態功率模塊，在較寬的工作頻帶內獲得了高功率輸出能力。所設計的模塊均具有電路體積小、合成和功率效率高、調制性能優越等優點，具有良好的功率擴展能力。考慮到所實現的功率模塊具備易于裝配及測試、一致性好等優點，非常適于批量生產。模塊工作在Ku典型頻段，具有明確的項目背景和良好的工程應用前景。