基于波导合成高效高功率密度Ku波段功放∗

樊锡元,张 瑞,沈项东

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥230088)

0 引言

高功率放大器是微波/毫米波无线电子系统中核心部件，其发射功率的大小直接决定了作用距离、抗干扰能力及通信质量。固态放大器因其具有体积小、供电电压低及使用寿命长、维护成本低等特点，在目前电子系统小型化趋势下得到广泛应用。但固态放大器件输出功率有限，为获得更大功率输出，往往需要功率合成技术。传统的电路合成技术采用威尔金森电桥、分支线电桥、Lange桥等功分/合成网络，应用广泛，但平面传输线损耗大，合成效率随合成网络级数增加显著下降，因而限制了放大器的数量，无法满足高效率与大功率的要求。近年来提出的空间功率合成技术最大优点在于合成效率高，适合多器件合成得到大功率，如准光合成、波导内合成以及波导裂缝阵[1-4]等。但是结构上的缺陷使它们在功放散热这个重要性能上有很大的不足，难于适应大功率输出、高热流密度功放场合。本文提出一种符合工程应用的高效合成方案，在Ku波段实现180 W以上的高占空比(20%)高峰值功率输出，为国内Ku频段雷达、SAR及通信设备提供强有力的技术支撑。

1 整体方案结构

有源模块采用Ku波段高功率输出的Ga N功率芯片，2只15 W功率芯片合成输出在25 W左右，构成一个功率小模块。整个功放模块由8只小模块合成输出。输出合成部分采用高效波导合成电路与波导-微带双探针结合，波导采用BB180标准，大大压缩合成空间尺寸。输入分配电路采用微带电路与波导微带双探针结合，进一步缩小分配电路空间。整体方案框图如图1所示。

图1 整体方案框图

2 电路设计

2.1 25 W小模块设计

25W小模块采用国产Ku波段高功率GaN芯片，其指标参数如表1和图2所示。

表1 GaN芯片的性能参数

图2 Ga N芯片指标参数

25 W模块采用微带威尔金森电路分配/合成2个芯片，得到输出功率。工艺采用芯片与钼铜载体共晶焊，再与无氧铜基座焊接，保证了芯片性能和散热需求，同时模块整体要求锡焊封盖，达到气密性要求[5]。模块体积要求严格，因保证后继波导双探针间隔要求，其高度仅为3 mm。实物图片如图3所示。

图3 25W模块实物图片(22 mm×19 mm×3 mm)

典型模块测试指标如表2所示。

表2 25W模块测试指标

模块相位一致性经测试在±10°以内。

2.2 BB180波导微带双探针设计

BB180波导微带双探针是功率组件高效合成和高功率密度集成的关键。双探针的功能是:(1)完成25 W小模块微波功率传输由微带半开放场模式转化为波导场模式;(2)完成2个小模块功率第一级分配/合成;(3)利用波导模式实现小模块的立体安装排布，从而实现微波功率高密度集成。

通常使用的波导-微带过渡包括微带探针过渡、脊波导过渡等。在这里我们采用波导微带双探针过渡，它是对微带探针过渡的一种拓展，在过渡的同时实现两路功分/合成。文献[6]给出了矩形波导-同轴交叉耦合接头的等效电路，根据这一模型可以得到矩形波导-微带探针耦合结构等效电路如图4(a)所示。端口1、2是波导端口，端口3是微带端口，波导端口参考面为通过探针中心线的波导横截面，微带端口参考面为探针插入的波导侧壁所在平面。j X s是探针插入波导对波导传输引入的不连续性电抗，j X p是探针本身的电感感抗，j B a、j B b和j B c是探针耦合区不连续性电纳。理想变压器变比n1、n2表示探针末端电压与波导主模电压以及微带端口TEM模电压与波导主模电压之比值。考虑到jB c数值远小于j B a和j B b，略去该元件并不会产生明显误差，因而得到简化模型如图4(b)所示。图中虚框内为波导内探针本身电感和探针末端与波导壁间隙分布电容的电纳。变压器代表微带准TEM模式与波导TE10模式的耦合，变比为两种模式电压之比，j B b则表示微带端口附近局部高次模式储能对应的电纳[7]。

图4 波导微带双探针等效电路模型

基于以上分析，我们采用HFSS场仿真软件仿真，设计模型如图5所示。

图5 双探针模型

设计采用RT5880微带板，微带电路朝内，即面对面，在2个探针电路上方半开放场连接形成全开放空腔，以便后继模块安装。模型仿真结果如图6所示。

图6 双探针仿真结果

从指标结果来看，总口驻波优于1.2，插损小于0.3 dB。

2.3 170 W组件输出合成电路设计

170 W组件输出合成电路为保证高效率合成采用波导合成，为减小合成空间，保证高密度功率集成，波导采用BB180波导。由于功率芯片存在一定的负载牵引效应。各个小模块合成如隔离度差，将影响小模块在整件内工作状态，达不到额定输出功率指标，更有可能影响工作可靠性。所以在波导合成采用了波导3 dB电桥。考虑到尺寸体积，设计采用3分支结构，实现高密度功率集成。输出合成电路分为3级:第1级为波导微带双探针;第2级为波导3 d B电桥;第3级为波导HT结构，在波导上片开波导孔输出合成功率。

(1)波导电桥(正交耦合器)

波导正交耦合器也是一种波导形式的分路(合路)器，优点是损耗小、驻波好、两路隔离大，同时相对带宽在10%以内性能较好;缺点是体积大、结构复杂。

设计的3分支波导电桥模型如图7所示，结果指标如图8所示。波导正交耦合器的仿真结果，表明在工作频段内有良好的合成性能以及近30 dB的端口驻波和隔离度，在模块合成电路可以有效防止驻波牵引拉偏。

图7 3分支Ku波段波导电桥模型

图8 波导电桥仿真结果

(2)H面的T形合成器

波导功分(功合)器用于功率合成，具有差损小、合成效率高的优点[8-9]。类型分为E面和H面合成。H面仿真模型及结果如图9所示。

图9 波导HT模型及仿真结果

上面的仿真结果表明H面波导功分(功合)器在工作频段内有良好的合成性能，合成口驻波优于1.1。

(3)输出合成三级电路总成

输出合成三级电路总成模型及仿真结果如图10所示。

其仿真参数指标如图11所示。

图10 输出合成三级电路总成模型

图11 输出合成三级电路总成仿真参数指标(16 GHz)

2.4 170W组件输入分配电路设计

170 W组件输入分配电路如图12所示，其主要功能是:完成输入功率1∶8分配;完成与输出合成电路各分支的配相，同时尽可能电路小型化，减小电路面积。设计中输入分配电路面积仅为输出电路面积一半。输入电路也分三级:第1级为波导微带双探针;第2级为微带Lange桥，实现与输出波导电桥配相;第3级为微带威尔金森功分。设计中因双探针为面对面结构便于小模块安装，造成输入分配电路也面对面，这样不便于整件电路相位调试。在Ku波段合成，主要是相位影响，而相位调试主要在输入电路完成。为完成此功能，需要加入微带传输垂直过渡电路。

2.5 170 W组件整体设计

170 W组件设计采用波导腔中间剖分结构，在2个对称的铝板上铣出半波导槽，在双探针开放场处，加入25 W小模块。如图13所示，波导上片内安装4个小模块，波导下片安装4个小模块，两片结合形成完整波导腔，微波功率合成输出。组件的实物尺寸为105 mm×75 mm×32 mm。

图12 输入分配电路(波导上片部分)

3 测试结果及分析

170W组件测试条件:脉冲宽度为25μs，占空比为19%，漏极电压脉冲幅度为28 V。表3为170 W组件实测数据。

表3 170W组件实测数据

图13 170W组件实物图片(上片/下片)

4 结束语

本文对基于波导合成Ku波段170 W组件分析与优化仿真设计，并给出了具体的仿真结果。从分析和仿真的结果和实物测试可以看出该组件功率分配/合成方式具有高的功率合成效率、结构紧凑。微波固态有源放大器可以直接固定安装在波导腔外壁上，能够进行有效的散热。组件在Ku波段实现180 W高功率输出，合成效率达到85%，功率附加效率达到25%，功率密度达到0.135 W/cm3。整体指标达到国内先进水平。该功率放大器研制成功在毫米波雷达、通信及SAR领域都具有广泛的应用前景。

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