EHF頻段40 W氮化鎵發射機設計

劉立浩，余承偉，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

隨著衛星通信的蓬勃發展，C頻段和Ku頻段資源日趨緊張，衛星通信逐漸向高頻段擴展，極高頻(Extremely High Frequency，EHF)成為目前衛星通信領域的研究熱點。EHF頻段衛星通信系統具有頻率資源豐富、抗干擾能力強和通信終端體積小等優點，在軍事領域具有重要意義[1]。目前，主要的EHF軍用衛星系統有美國的Milstar系統和AEHF系統[2]、英國的Skynet系統[3]和法國的Syracuse系統[4]。其中，美國的Milstar系統和AEHF系統上行鏈路頻率為43.5～45.5 GHz，下行鏈路頻率為20.2～21.2 GHz[5]。

使用國產EHF頻段17 W(45.5 GHz頻點飽和輸出功率)GaN功放芯片，采用一種改進型波導E-T結[6]和波導—微帶探針過渡[7]相結合的新型四路功率分配/合成結構，研制出EHF頻段58 W(即47.6 dBm)GaN功放模塊，基于該功放模塊，成功研制了EHF頻段40 W GaN發射機。

1 組成和工作原理

EHF頻段40 W發射機主要由上變頻模塊[8]、驅動放大器、功率合成模塊、耦合器、檢波器、監控單元、電源模塊、電源濾波器和風機等部分組成，整機組成如圖1所示。

圖1 EHF頻段40 W發射機組成框圖Fig.1 Block diagram of EHF-band 40 W transmitter

10 MHz參考信號和C頻段中頻信號的合路信號進入EHF頻段40 W發射機，首先進入上變頻模塊，模塊將10 MHz參考信號和中頻信號分離，10 MHz信號鎖定模塊中內置的100 MHz晶振，100 MHz信號作為鑒相頻率；上變頻模塊將中頻信號變頻為EHF頻段信號，并提供一定的增益，在上變頻模塊中內置了衰減器芯片用于整機增益的調節；之后EHF頻段信號依次進入驅動放大器和功率合成模塊，進行功率放大；最終，EHF頻段信號經波導耦合器的主路輸出。

監控單元負責采集各模塊的狀態信息，經過處理后，以LAN接口形式輸出到監控網口；監控單元還可控制上變頻模塊中衰減器的衰減量和電源模塊的通斷，當發射機出現本振失鎖或過溫時，監控單元可切斷功率合成模塊的供電，使功放停止工作，防止功放模塊損壞，并避免非正常信號發射干擾其他信道。

電源模塊為各模塊提供直流供電；風機將各模塊傳導到散熱翅片的大量熱量導出，使整機溫度維持在一個穩定的范圍。

2 設計與仿真

下面對EHF頻段40 W發射機的關鍵部件進行設計分析，使用三維電磁場仿真軟件HFSS對關鍵部件進行了建模仿真，并給出了仿真結果。

2.1 功率合成模塊設計

2.1.1 改進型波導E-T結[9]

波導T型結是一個簡單的三端口網絡，可以用于功率分配或功率合成。波導T型結示意如圖2所示。

圖2 波導T型結示意Fig.2 Schematic diagram of waveguide T-junction

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)[10]，其中E-T結更適合作為固態功率合成器的基本功分/合成單元[11]。波導E-T結為三端口無耗器件，這種三端口網絡無法實現3個端口的同時匹配。如果以S11最小為設計目標，折中端口回波損耗和端口間隔離，可得到三端口網絡S參數理想值為：

(1)

由能量守恒定律可得：

|S22|2+|S23|2+0.5=1，

(2)

|S22|=|S33|=|S32|=|S23|=-6 dB。

(3)

由式(3)可知，波導E-T結的端口2和端口3典型回波損耗為-6 dB，隔離度為-6 dB[12]。

由于T型結存在不連續性，所以T型結等效于一個寄生電抗效應，從而使電磁波在T型結處傳播時會有相位的延遲，所以在設計時應該加入電抗補償。為有效改善輸入端口回波損耗和拓寬工作頻率，本設計在普通波導E-T結上進行了改進，具體做法就是添加楔形缺口，與標準波導間進行斜漸變以拓寬頻帶[13]。改進型波導E-T結三維模型如圖3(a)所示，仿真結果如圖3(b)所示。

圖3 改進型波導E-T結Fig.3 Improved waveguide E-plane T-junction

仿真結果顯示，在43.5～45.5 GHz頻率范圍內，改進型波導E-T結具有低插入損耗、等功率分配的特性，輸入端口1的回波損耗優于25 dB。

2.1.2 波導—微帶探針過渡

目前，波導—微帶探針過渡[14]是應用最為廣泛的波導—微帶過渡形式，相比其他過渡方式，具有明顯的優點：插入損耗低、回波損耗小、可覆蓋較寬頻帶、結構緊湊和加工方便。

波導—微帶探針過渡有2種常用的形式：一種是微帶平面的法向方向與波導內電磁波傳播的方向平行，稱之為H面探針過渡；另一種是微帶平面的法向方向與波導內電磁波傳播的方向垂直，稱之為E面探針過渡[15]，如圖4所示。這2種方法都是將微帶探針通過波導寬邊中心的孔插入波導腔中，通過一段起耦合作用的探針將波導中的電場耦合到微帶中去。矩形波導中距離過渡器四分之一波長的短路活塞保證探針在波導內處于電場最強位置，以達到盡量高的耦合效率。探針過渡具有容性電抗，一段具有感性電抗的高阻抗線被串聯在探針過渡器后面，以消除容性電抗，然后經過四分之一波長阻抗變換器實現與50 Ω微帶線的阻抗匹配[16]。

圖4 波導—微帶探針過渡結構Fig.4 The structure of the waveguide to microstrip probetransition

圖5(a)是波導—微帶探針過渡在HFSS中的仿真模型，從圖5(b)的仿真結果可以看出，該探針結構在43.5～45.5 GHz范圍內插入損耗小于0.1 dB，回波損耗優于30 dB(2個端口回波損耗曲線重合)，性能指標優良。

圖5 波導—微帶探針過渡Fig.5 The waveguide to microstrip probetransition

2.1.3 功率合成模塊設計

將改進型波導E-T結和波導—微帶探針過渡相結合，組成了一種新型四路功率分配/合成結構，其結構模型如圖6所示。

圖6 四路功率分配/合成結構模型Fig.6 The 3D model of four-way power-dividing/combining structure

經軟件仿真，該四路功率分配/合成結構在43.5～45.5 GHz頻率范圍內，插入損耗小于0.2 dB，回波損耗優于20 dB，并具有良好的幅度和相位一致性。

基于微組裝工藝，使用4片國產EHF頻段17 W GaN功放芯片，通過該四路功率分配/合成結構進行功率合成，最終實現了EHF頻段58 W(即47.6 dBm)功率合成模塊，合成效率達到85%。

2.2 上變頻模塊設計

上變頻模塊的組成框圖如圖7所示。

圖7 上變頻模塊組成框圖Fig.7 Block diagram of up-converter module

2.2～4.2 GHz的S頻段信號進入上變頻模塊，首先經過放大器對中頻信號進行放大，放大器兩端的π型衰減器用于改善駐波和調整模塊增益；之后經過低通濾波器，與41.3 GHz的本振信號進行混頻，得到43.5～45.5 GHz的EHF頻段信號；EHF頻段信號經過帶通濾波器，以濾除帶外雜散，并經過放大器進行信號放大；最后EHF頻段信號經過波導隔離器輸出[17]。

41.3 GHz的單點本振由5.9 GHz七倍頻得到。5.9 GHz頻率是采用取樣鎖相方案得到，鑒相頻率為100 MHz，相位噪聲指標優良[18]。

2.3 工程實現

EHF頻段40 W GaN發射機機箱采用全密封結構，可直接安裝于室外天線上。發射機采用模塊化設計思路，上變頻模塊、驅動放大器、功率合成模塊、耦合器、檢波器、監控單元、電源模塊、電源濾波器和風機都作為一個模塊獨立存在，各模塊單獨調試和測試完成之后裝入機箱，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。

發射機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地保障發射機在惡劣環境溫度下正常工作；反之，不良的熱設計將導致發射機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低熱阻的通道，使發射機產生的熱量在盡可能短的時間內導出，發射機能保持在較低溫度的熱平衡狀態[19]。

結合熱仿真數據和工程經驗，該發射機采用強迫對流方式進行散熱，并在兼顧發射機體積和重量的條件下，對影響發射機散熱的所有參數進行了優化選擇，最終機箱散熱器材料選用6063-T5變形鋁，功放模塊盒體材料選用無氧銅，芯片載體材料選用金剛石銅，導熱界面材料選用0.15 mm厚的人工石墨均溫片。為了良好地散熱，機箱還采用先進的真空焊接鋁制均溫板技術，并通過仿真優化，確定了機箱散熱翅片的最優厚度為1 mm，間隔為3 mm。

最終研制的EHF頻段40 W氮化鎵發射機實物如圖8所示。

圖8 EHF頻段40 W氮化鎵發射機實物Fig.8 Photograph of EHF-band 40 W GaN transmitter

3 測試結果及分析

對EHF頻段40 W GaN發射機的各項指標進行了全面測試，測試結果如表1所示。

表1 發射機指標Tab.1 Specifications of the transmitter

測試結果表明，該發射機輸出功率大于40 W，性能指標優良，整機體積和重量較小，具有很強的市場競爭力。

4 結束語

提出了一種新型四路功率分配/合成結構，基于國產17 W GaN功放芯片，成功研制了EHF頻段40 W GaN發射機，測試結果表明該產品性能指標優良。該發射機充分考慮了實際工程應用和產品化設計，具有體積小、重量輕、散熱好、可靠性高和易于批產等優點。該發射機經過高低溫、振動、沖擊、淋雨和濕熱等各項環境試驗考核，工作穩定可靠。該發射機可應用于固定站、車載站、艦載站和機載站等多種衛星通信系統站型中，具有廣闊的市場應用前景。