Ka波段100W連續波固態功放模塊一體化設計

馬云柱 張國強 康 穎 謝 敏

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在毫米波系統中,功放模塊是發射鏈路中的核心設備,其輸出功率很大程度上決定了系統的工作效能。在毫米波段受限于功率器件的發展水平,單個功放芯片的輸出功率有限,為了獲得更高的輸出功率,必須采用合適的功率合成技術。毫米波固態功率合成技術主要包括芯片級功率合成、電路級功率合成和空間功率合成等。在實際應用中往往采用多種形式相結合的混合式功率合成方案實現高效大功率輸出。

本文介紹了一種基于GaN功率單片(MMIC)的Ka波段100W連續波固態功放模塊的設計。主要特點是采用一體化的設計思路,依托精密機械加工技術,在一個模塊內采用多種形式的功分合成網絡。包括波導-微帶轉換、波導H面3dB電橋、波導E-T等多種形式相結合的混合功分合成網絡,通過三級級聯放大鏈路實現大于100W連續波功率輸出。該設計突破了常規的模塊化設計方法,優化了設計流程,提高了產品的一致性,具有較強的擴展性。通過更換功率芯片可以實現更大的輸出功率。

1 設計方案

如圖1所示,功放模塊的放大鏈路由三級功率芯片級聯而成,射頻激勵信號首先經過第一級功率放大,然后經第一個一分二混合式功分網絡(即微帶-波導轉換+波導E-T+波導-微帶轉換)分別推動第二級驅動功分芯片,經微帶波導轉換,通過四路混合式功分合成網絡(即波導H面電橋+波導E-T+波導微帶轉換),分別驅動八路末級功率芯片,最后通過波導E-T合成器,實現最終的功率輸出。

圖1 功放模塊原理框圖

設計中,采用一體化設計思路,在一個模塊內部采用了微波單片集成電路(MMIC)技術、多芯片組件(MCM)技術和多種形式的混合式功分合成網絡設計等,其中多種形式的功分/合成網絡設計是關鍵。

2 功分/合成網絡設計

在功放模塊內部,按照射頻信號的傳輸方向,包括一分二混合式功分網絡,四路混合式功分/合成網絡和波導E-T功率合成器。

2.1 一分二混合式功分網絡

一分二混合式功分網絡由“微帶-波導轉換、波導E-T和波導-微帶轉換”三部分組成。其中波導-微帶轉換主要實現將微波能量從波導轉入平面微帶電路(或相反),根據微帶探針饋入波導方式不同分為E面探針和H面探針。本文采用的是E面波導微帶探針結構,探針從波導寬邊中心距短路面1/4波長處饋入,并通過階梯過渡實現與微帶線的阻抗匹配,同時為了抑制高次模,耦合開孔的尺寸也進行了優化。波導E-T是一種比較常用的功分/合成結構,主要優點是工作帶寬寬,插入損耗小。為了拓展工作帶寬,在功分的雙臂采用漸進過渡的結構設計。模型和仿真結果如圖2所示,仿真結果表明在工作頻段內,S11優于-20dB,S21和S31優于0.27dB。

圖2 一分二混合式功分網絡仿真模型及S參數仿真結果

2.2 四路混合式功分/合成網絡

四路混合式功分/合成網絡由“波導H面3dB電橋、波導E-T和微帶-波導轉換”組成。這是功放模塊內部最關鍵的功分/合成網絡。這種結構形式的優點包括:首先是上下兩層隔離度高,提高了可靠性,分腔設計降低了功放芯片之間的互耦,其次這種結構形式較為緊湊,實現了小型化和輕量化。模型和仿真結果如圖3所示,仿真結果表明在工作頻段內,S11、S31和S41優于-20dB,背對背插入損耗S21小于0.26dB,單邊四路混合式功分/合成網絡的插損小于0.13dB。

圖3 四路混合式功分網絡背對背仿真模型及S參數仿真結果

2.3 波導E-T功率合成器

波導合成器由于功率容量高,損耗小,是毫米波功率合成的首選。本文采用的波導E-T兩路合成器主要功能是實現末級功放芯片的合成輸出,為了拓展工作帶寬,在功分的雙臂采用漸進過渡的結構設計。其模型和仿真結果如圖4所示。仿真結果表明在工作頻段內,S11優于-20dB,插入損耗S21和S31小于0.1dB。

圖4 波導E-T功率合成器仿真模型及S參數仿真結果

3 功放模塊測試和分析

Ka波段100W功放模塊的實物如圖5(a)所示。該模塊采用分層設計,共五層,依次命名為上蓋板(帶散熱齒)、上波導板、中波導板、下波導板、下蓋板(帶散熱齒)。尺寸為:196mm×150mm×72mm。

圖5 Ka波段100W連續波固態功放模塊實物照片和測試曲線

在常溫環境下對模塊的性能指標進行了評估,測試和計算結果如圖5(b)所示。可以看出,在Ka波段17%的相對帶寬范圍內脈沖輸出功率大于115W,帶內起伏小于0.5dB,功率附加效率大于20%,通過輸出和輸入功率的比對,得到其功率增益大于50dB。

末級功率芯片采用的是國產GaN功率單片(MMIC),推薦工作帶寬是32～38GHz,典型飽和輸出功率42dBm,根據廠家提供的末級功率單片測試數據,結合實測的功放模塊輸出功率,計算得到在工作頻帶內合成效率大于90%。計算結果如表1所示。

表1 功放模塊合成效率計算結果

4 結束語

本文介紹了一種Ka波段百瓦量級固態功放模塊的設計,采用一體化設計思路,在單個模塊內部運用多種形式的功分/合成網絡,在Ka波段17%相對帶寬內實現大于115W的連續波功率輸出,本方案突破了傳統的模塊化設計思想,結構緊湊,具有很強的擴展性,通過更換功率芯片可以實現單模塊更大的功率輸出,具有較強的工程應用前景。