大功率高效率星載固態功率放大器研究

楊飛,殷康,趙恒飛,趙瑩,劉江濤,楊淑麗

中國空間技術研究院西安分院,西安 710100

1 引言

微波功率放大器廣泛應用于通信、導航、遙感等衛星系統中,是系統的關鍵載荷,主要實現微波信號的放大以及幅度和相位的控制等功能[1-2]。功率放大器決定系統的等效輻射功率,同時也是衛星平臺主要的能耗設備,因此,其輸出功率和效率指標對于平臺及系統的性能至關重要。長期以來,在星載高功率放大器領域,以行波管放大器(TWTA)為代表的電真空器件一直占據主要地位。基于半導體固態器件的放大器受限于較低的輸出功〗率和效率,主要應用在中小功率的系統中。隨著以氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導體材料的發展,國內外各研究機構在星用GaN功率器件以及大功率固態功率放大器(SSPA)研制方面取得了長足的發展[3-6]。在L頻段,已有輸出功率達到200W,效率74%的GaN功率器件[3,7],在S頻段,已有輸出功率200W,效率大于45%的SSPA單機[4],C頻段SSPA單機功率大于100W,效率大于50%[5,8]。在設計層面,為了提高效率,功放設計除基波匹配外,還需進行高次諧波匹配[9-11],為了提高功率,需對多個功率器件進行合成[12-14]。目前,在C頻段以下,SSPA功率和效率已和TWTA相當,但卻擁有更小的尺寸、更輕的重量,更高的集成度以及適合批量化制造等優點,已具備替代TWTA的能力。值得一提的是,美國的GPS III、歐洲的伽利略二代以及中國的北斗導航衛星都采用了基于GaN器件的SSPA的方案[13-16]。文獻[13]報道了伽利略二代衛星中L頻段SSPA的研制情況,末級GaN器件功率90W,采用諧波阻抗匹配提高效率,4路合成提高功率,整機功率300W,效率大于45%。文獻[14] 報道了GPS III衛星中L頻段SSPA射頻部分的研制情況,輸出功率400W,效率大于60%,同樣采用4路120W氮化鎵功率器件合成的方案,并在前級加入線性化器補償線性特性。

本文基于GaN功率器件,應用低溫共燒多層陶瓷技術、高效波形賦形技術[2,11]及移相全橋等技術,研制了L頻段高效率固態功率放大器。在100MHz帶寬范圍內,輸出功率大于200W,效率優于60%。與文獻[13]相比,本文末級功放采用連續模F類設計,電源采用基于同步整流的移相全橋設計,整機效率更高。與文獻[14]相比,本文通過優化驅動級和末級晶體管的柵極電壓,對級聯線性特性補償,無需專門的線性化器。通過以上創新技術的應用,本文研制的功放的主要性能達到了國際先進水平,可廣泛應用于通信、導航等衛星系統中。

2 總體方案及設計

SSPA的三維模型如圖1所示,從功能上分為射頻單元(RFU)和電源單元(DC-DC)兩部分。RFU的主要功能是將輸入射頻信號進行多級放大,使其達到額定輸出功率,同時實現增益相位、幅度控制,增益溫度補償、增益自動控制(ALC)等功能。DC-DC的主要功能是將衛星平臺提供的大動態范圍一次電壓轉化為射頻單元所需的穩定工作電壓,并實現固放的遙控和遙測接口。

圖1 固態功率放大器三維模型Fig.1 3D model of the SSPA

本文主要圍繞射頻單元的設計展開論述,并簡單介紹電源單元的設計及測試結果。

射頻單元的組成原理及三維模型如圖2所示,由3部分組成,分別為前級通道放大器(CAMP)、10W氮化鎵驅動放大器(MPA)和2路100W氮化鎵末級功率放大器(HPA)。為了實現小型化、輕量化,CAMP采用多層低溫共燒陶瓷一體化封裝技術。為了提高效率,MPA和HPA均采用基于諧波匹配的波形賦形技術[2,9]進行設計。鏈路預算如圖2(c)所示,總增益為50dB,噪聲系數為17dB,輸出功率為53dBm。鏈路增益Gain為50dB,噪聲系數NF為17dB,輸出功率Pout為53dB,三階交調IMD3為11dBc。

圖2 射頻單元原理、模型及預算結果Fig.2 Prototype,model and budget of RF unit

為了提高轉換效率,電源單元采用基于同步整流的移相全橋電路拓補,其具體原理如圖3(a)所示,當遙控指令電路接收到開機信號時,輔助電源首先工作,產生脈寬調制器(PWM)工作所需的+12V和-5V電壓,接著,PWM產生寬度調制脈沖,移相全橋(PSFB)和半橋(HB)開始工作,輸出穩定的+28V、+5V、和-5V電壓。圖3(b)給出了電源上電次序的仿真結果,可以看出,先產生-5V,約10ms延時后,再產生+28V和+5V電壓。電源的轉換效率測試結果圖3(c)所示,在大于11A的電流輸出條件下,轉換效率接近94%。

3 關鍵電路模塊設計及實現

3.1 通道放大器模塊

通道放大器主要完成固定增益模式(FGM)和自動電平控制模式(ALC)的選擇,實現信號增益控制,溫度補償等功能。其組成原理如圖2(a)所示,主要由線性放大器(AMP1和AMP2)和可變/固定衰減器(ATT1、ATT3和數字ATT2)級聯組成。電性能仿真結果如圖4所示,在工作頻帶范圍內,增益大于31dB,噪聲系數小于18dB,輸出1dB壓縮功率大于30dBm。根據前一節鏈路預算結果,該模塊在鏈路中的功率電平為27dBm,工作在線性區,不會造成后級高功率部分非線性的惡化。

為了實現小型化、輕量化,通道放大器采用多層低溫共燒陶瓷一體化封裝技術,將所有元器件和電路集成在13層的一體化陶瓷封裝結構中。該結構直接焊接在硅鋁外殼中并采用可伐材料蓋板密封,其中,陶瓷材料使用Ferro-A6S基板。1～4層用來形成隔墻,進行氣密性封腔;第5層主要進行低頻走線、表貼電阻、電容等器件的組裝;6～13層實現RF走線,芯片、器件組裝以及射頻低頻隔離等功能。通道放大器的具體實現結構和實物如圖4(a)(b)所示。

圖4 通道放大器模塊設計仿真結果Fig.4 Simulation result of channel amplifiers

3.2 驅動功率放大器

驅動功率放大器基于GaN功率晶體管,采用F類設計[9,11],晶體管的柵極和漏極偏置電壓分別為-3.2V和28V。采用基于諧波匹配的波形賦形技術[2],對晶體管的基波阻抗、二次和三次諧波阻抗同時匹配以實現高效率。首先,對晶體管進行負載牽引,得出其最佳的基波以及高次諧波阻抗,如圖5(a)所示。其次,根據阻抗值,采用微帶形式進行匹配電路設計,圖5(b)給出了在該阻抗值下晶體管對應的漏極電壓(VDS)和電流(IDS)波形。仿真中,晶體管的寄生參數已去嵌入,因此,阻抗和電壓電流波形是從本征電流源平面(Igen平面)得到的。從波形可以看出,VDS近似方波,IDS接近半波整流正弦,近似滿足F類功放的工作模式。

基于設計仿真,加工了驅動放大器樣品并對其進行了性能測試,結果如圖5(c)所示。在1.45～1.55GHz工作帶寬內,該驅放輸出功率大于10W,功率增益(Gain)大于14dB,功率附加效率(PAE)高于70%,測試與仿真結果吻合良好,驗證了設計仿真的正確性。

圖5 驅動放大器設計仿真及測試結果Fig.5 Simulation and measured result of MPA

3.3 末級功率放大器

末級功率放大器同樣基于GaN功率晶體管,不同于驅動級,末級晶體管輸出功率高,柵極寬度大,因此基波阻抗低,漏源級的寄生電容Cds大,難以實現高次諧波的高阻抗匹配要求,因此,末級晶體管的輸出匹配設計基于連續模B-J類[1],柵極和漏極偏置電壓分別為-3V和28V,采用微帶電路進行匹配設計,將Cds也計入匹配電路中。在設計時,對晶體管的寄生參數去嵌入,到了本征電流源平面(Igen平面)上的輸出阻抗及電壓和電流波形,如圖6(a)(b)所示。可以看出,其輸出基波和三次諧波阻抗較低,近似為純電阻特性,二次諧波阻抗為純電抗特性。VDS和IDS均近似半波整流正弦波形,相位近似相差180°。匹配設計時,在實現高效率的同時,兼顧線性性能,優化末級功放在特定工作點的線性特性,以提高整機線性度。

基于設計仿真,加工了末級功放樣品并對其進行了性能測試,結果如圖6(c)所示,在1.45～1.55GHz頻率范圍內,Pout大于105W,最大功率122W,附加效率(PAE)高于70%,最高75%,Gain大于13dB,測試與仿真結果吻合良好,驗證了設計的正確性。

圖6 末級放大器設計仿真及測試結果Fig.6 Simulation and measurement results of HPA

為了驗證該固態功放的線性特性,將驅動放大器和末級放大器級聯,分別測試其幅度-幅度變化(AM/AM)、幅度-相位變化(AM/PM),和三階交調性能,結果如圖7所示。通過優化驅動級和末級晶體管的柵極電壓,可以在特定輸入功率范圍內,實現驅動級功放的增益擴張特性,并以此來補償末級功放的增益壓縮特性,從而在級聯后獲得較高的線性特性,從測試結果可見,驅動柵極電壓為-3.2V,末級柵極電壓為-3V的偏置條件下,在輸入功率15～23dBm范圍內,級聯后的AM-AM小于2dB,AM-PM小于16°,IM3在回退6dB范圍內優于18dBc。

3.4 功率分配及合成電路

功率分配器(PD)和合成器(PC)均使用四端口正交電橋形式,相對于三端口功分器/合成器而言,正交電橋的駐波更好,隔離度更高,對兩路功放的不平衡適應性更強。其中,分配器承受功率較小,采用平面微帶形式,兼顧體積和損耗;合成器承受功率高,采用介質填充方同軸形式,滿足功率容量和合成效率的要求。分配及合成器的結構模型和參數性能(S parameter)仿真結果分別如圖8(a)(b)所示,可以看出,在1.45～1.55GHz頻帶范圍內,分配器插損小于0.2dB,平衡度優于0.1dB,端口駐波小于-18dB,隔離度大于18dB。合成器插入損耗小于0.1dB,平衡度優于0.1dB,端口駐波小于-22dB,隔離度大于22dB。

圖8 功率分配及合成器電磁模型及仿真結果Fig.8 Model and simulation result of PD and PC

4 整機研制及試驗結果討論

4.1 整機研制及測試結果

完成關鍵模塊性能驗證后,對整機進行了集成設計,射頻和電源采用獨立機殼,避免兩者之間的電磁干擾。各模塊之間通過金帶或半鋼電纜連接,驅動和末級功放之間加入隔離器保證鏈路穩定性。集成后的整機如圖9所示。

圖9 整機實物照片Fig.9 Photo of the implemented SSPA

整機增益、功率及附加效率測試結果如圖10所示。圖10(a)給出了1.48GHz處輸出功率、增益和效率隨輸入功率變化的測試結果,功率大于53dBm,增益高于57dB,整機效率超過60%,峰值效率64%。圖10(b)給出了三溫條件下,工作頻帶內功率及效率的測試結果,在-25℃～+60℃范圍內,100MHz工作頻帶內,固放輸出功率大于200W,效率高于60% 。

圖10 整機增益、功率及效率測試結果Fig.10 Gain,power and PAE measured results of SSPA

整機的其他性能指標如表1所示,通過級聯優化,整機在輸出回退3dB范圍內交調優于18dBc,飽和點AM/PM小于1.2°/dB,相移優于17°,雜波優于70dBc。

表1 其他指標測試結果

4.2 整機熱設計及測試結果

固放是載荷主要發熱設備,為保證壽命,要求工作在一級降額溫度以下,為滿足以上要求,對整機進行了詳細熱設計。末級功率放大器采用陶瓷基板制作匹配電路并將末級晶體管及陶瓷基板焊接在金剛石銅熱沉上,再將熱沉焊接至機殼上實現良好散熱。金剛石銅熱導率接近550W/(C·K),可以有效降低從晶體管到機殼的熱阻。仿真結果如圖11(a)所示。在55℃環境溫度下,末級晶體管的殼體溫度最高為88.6℃,通過熱阻計算其結溫為137.3℃。采用熱成像儀對高溫工作時的末級晶體管殼溫進行測試,結果如圖11(b)所示,實測管殼溫度為91.3℃左右,對應其結溫為140℃。熱成像測試結果與仿真結果吻合較好,驗證了熱設計的有效

性,確保固放能夠滿足宇航長壽命高、可靠的使用要求。

圖11 熱分析及測試結果Fig.11 Thermal simulation and measurement results

4.3 測試結果對比

表2為本文研制的固放與國內外文獻公開報道的同類型星載固放的性能對比,相對于文獻[15-17],本文在輸出功率和效率方面優勢明顯。相較于文獻[7,13-14],本文的效率更優,其中文獻[7]僅報道了末級功率管的技術指標,文獻[13-14]]分別為伽利略二代和GPS三代衛星固放驗證件的技術指標,代表目前國際最高水平。以上對比表明,本文報道的固放在國內屬領先地位,在國際上處于先進水平。

表2 本文與公開報道的同類星載固放的性能對比

5 結論

本文研制了星載L頻段200W高效固態功率放大器。首先,對關鍵模塊及其設計方法進行了論述,采用LTCC一體化集成封裝技術,實現了低頻控制以及小信號部分的高集成和小型化。采用波形賦形技術,實現了大功率、高效率的末級功放。通過驅動級和末級級聯調節,優化了線性指標。其次,完成了整機的集成設計及加工測試,在1.45～1.55GHz頻率范圍內,整機增益高于57dB,輸出功率大于200W,效率和三階交調分別優于60%和18dBc,具備30dB增益及360°相位可調功能,同時,可進行工作模式選擇(FGM或ALC)。通過和國內外公開報道的文獻結果對比,該功率放大器性能優良,為目前國內星載固放領域,連續波功率和效率最高的單機,達到了國際先進水平。