基于波导合成高效高集成度Ku波段发射机∗

樊

(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的核心部件,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、使用寿命长及维护成本低等特点,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及三明治结构叠层组装高集成度结构设计及热设计方案,在Ku波段实现600 W以上的高占空比(20%)高峰值功率输出,结构空间尺寸仅为Ф410 mm×110 mm,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 发射机整体方案

Ku发射机指标要求如下：

工作频率：Ku波段

工作带宽：1 GHz

输出功率：560 W(峰值)

输入功率：10 m W

脉冲宽度：40μs

工作比：19%(短时)

效率：18%

工作电源：DC22～29 V

发射机射频有源电路采用Ku波段高功率输出的GaN功率芯片,工作电压为28 V,输出功率在15 W,效率大于30%。

方案本着尽量简化电路形式的思想,考虑到电路间的兼容性及设计、生产成本,合理划分模块、组件、外围电路。功率合成方案分3级：第1级采用2个15 W功率芯片合成组成1个25 W功率小模块,合成方式微带威尔金森电路;第2级采用8个25 W功率模块合成组成1个170 W功率组件,合成方式基于波导合成与波导微带结构;第3级采用4个170 W组件合成发射输出,合成方式为波导合成。射频放大链功率合成原理框图如图1所示。

图1 射频放大链功率合成原理框图

发射机整体方案框图如图2所示。

图2 发射机整体方案框图

2 电路设计

2.1 功率模块设计

功率模块是发射机的核心部件,也是基础单元,实现初级集成。功率模块分成两级。

初级小模块采用微带威尔金森电路分配、合成,将2个GaN功率芯片封装在1个小模块内,输出功率25 W,效率为30%。小模块特点是轻薄小巧。由于电路尺寸小,微带合成损耗较小;同时小尺寸也方便在后级中功率模块叠层安装,实现更高的功率链路集成。小模块[5]结构如图3所示。

图3 25 W模块图片(22 mm×19 mm×4.7 mm)

次级中功率模块为170 W功率组件[5]。170 W功率组件采用BB180波导电桥结合波导微带双探针结构,将8个小模块输出功率合成输出。波导HT和波导电桥实现了Ku射频功率高效合成,波导微带双探针实现了小模块立体安装,实现了高密度集成。中功率模块输出功率170 W,增益16 d B,合成效率达到90%,组件工作效率约为25%,实物图如图4所示。文献[5]对170 W功率组件已有详细叙述,本文在此不作赘述。

中功率模块为提高结构组装集成度,在盒体正、背面嵌入2个调制电源电路模块及负压分压调整电路板,如图5所示。调制电源电路输入+28 V电源和脉冲调制TTL信号,通过脉冲驱动电路驱动调制开关电路,输出脉冲+28 V电源,输出峰值电流10 A。

图4 170 W组件实物图片(105 mm×75 mm×32 mm)

图5 组件高集成度组装图

2.2 4合1波导合成器设计

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[6-8]。

4合1波导合成是固态发射机核心部件,它将4个170 W组件输出功率通过波导高效合成(效率可到90%),是Ku波段发射机高功率合成的关键。由于发射机内部空间较小,本设计中功率传输采用BB180波导结构,波导合成包括：2个BB180波导E弯在波导E-T合成,之后进行BB180波导HT,转换成BJ180波导,完成波导4合1同相合成。由于发射机要求BJ140波导输出,之后加一节BJ180-BJ140波导转换。设计仿真如图6、图7和图8所示。

图6 波导4合1仿真模型

图7 波导4合1总口驻波图

图8 波导4合1分口分配比

Ku波段波导4合1合成器由BJ140H折弯、BJ140到BJ180波导过渡、BJ180波导E折弯、BJ180直波导、BJ180波导到BJ180半波导异形ET、BJ180半波导HT组成。整个合成器形状布局和尺寸是发射机的特殊要求而设计的,其垂直方向高度不超过60 mm,便于实现与发射组件一体化叠层立体组装。其外形如图9所示。

图9 Ku波段波导4合1合成器

专题测试试验如图10所示。

图10 波导4合1波导测试系统

指标测试结果如下：

(1)总口驻波测试

波导合成器总口驻波测试结果如表1所示。

表1 波导合成器总口驻波实测数据

(2)分口分配及损耗测试结果

分口性能测试如表2所示。由于测试接头BB180/SMA转换是镜像安装,存在180°反相。测试结果附加了180°反相。从测试结果可以得出结论：端口相位差别在10°以内,波导合成效率达到90%。

表2 波导合成器各端口分配比实测数据

2.3 分配器设计

发射机射频放大链由64片功率单片输出合成构成。其中1∶2分配器在25 W小模块中采用威尔金森电路实现;1∶8在170 W组件的中模块中采用波导双微带探针+Lange桥+微带威尔金森电路实现。64片功率单片按单片增益20 dB,扣除分配损耗3 d B,需要2个芯片推动。设计采用2个芯片合成的25 W小模块作为推动前级。在前级输出端加入微带威尔金森电路,分成2路输出。2路输出通过电缆端接2个1∶2功分器接入4个170 W组件功率入口。1∶2功分器也采用微带威尔金森电路,由于组件入口为BB180波导,功分器输出采用微带波导探针结构,其2个分配支臂可以作为组件相位调整电路载体。1∶2功分器如图11所示。

图11 1∶2功分器

2.4 叠层立体组装结构设计

发射机射频放大链主要是由4个170 W组件合成而构成,其安装结构空间仅为1个Ф400 mm×100 mm密闭空间。由于170 W组件为高热耗部件,组件散热方式只能选择热沉传导散热,4个组件必须将铝盒体贴金属地板传导散热。在4个组件之上的功率输出波导口,直接安装4合1波导合成器,这样既可以获得高效合成,又可以节省立体安装空间。组件入口直接安装1∶2功分器。同时为进一步提高立体空间集成度,通过组件固定安装孔,在组件之上布局DC-DC电源模块及储能电容板。DC-DC电源模块为半砖504 W的DC-DC变换器,其平面尺寸与组件相当。叠层立体高集成度组装如图12所示。

发射机设备还包括前级组件、辅助电源模块、发射监控电路板及馈线组合部件等。对剩余空间合理安排,形成紧凑高集成度布局,示意图如图13所示。

发射机热仿真计算结果如图14所示。170 W组件是主要的热耗部件,温控点均分布在功放模块和组件的接触表面上,最高温度高达106.01℃,满足国军标Ⅱ降额要求。

图12 高集成度叠层立体组装

图13 发射机整体布局

图14 发射机热计算结果

3 测试结果及分析

发射机测试条件：脉冲宽度25μs。占空比19%,漏极电压脉冲幅度为28 V。表3为发射机实测数据。

表3 发射机实测数据

数据分析：发射机采用64片15 W功率芯片波导合成。功率输出代数和为960 W,总合成效率在62%左右。考虑到功率芯片的相位批次一致性在±15°,相应相位合成损耗在0.5 d B;芯片功率输出端到发射机输出口,传输馈线自身损耗在0.5 d B。扣除上述因素,波导合成效率在80%左右,基本达到设计目标。在实际工作环境中,可靠性表现良好。

4 结束语

本文对基于波导合成高效高集成度Ku波段发射机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,该发射机功率分配/合成方式具有高的功率合成效率,结构紧凑,具有高集成度。微波功率组件紧贴金属壳体地板安装,可以有效进行传导散热。发射机在Ku波段实现600 W高功率输出,总合成效率达到80%,功率附加效率达到18%,整体指标达到国内先进水平。该发射机研制成功,在毫米波雷达、通信及SAR领域都具有广泛的应用前景。

[1]ORTIZ S C,HUBERT J,MIRTH L,et al.A High-Power Ka-Band Quasi-Optical Amplifier Array[J].IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques,2002,50(2)：487-494.

[2]CHENG Naishuo,JIA Pengcheng,RENSCH D B,et al.A 120W X-Band Spatially Combined Solid-State Amplifier[J].IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques,1999,47(12)：2557-2561.

[3]JIANG Xin,LIU Li,ORTIZ S C,et al.A Ka-Band Power Amplifier Based on a Low-Profile Slotted-Waveguide Power-Combing/Dividing Circuit[J].IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques,2003,51(1)：144-147.

[4]陈昌明,徐军,薛良金,等.Ka频段6W固态集成功率合成放大器的设计[J].微波学报,2007,23(增刊)：116-119.CHEN Changming,XU Jun,XUE Liangjin,et al.Design of 6 W Solid-State Integrated Power-Combining Amplifier at Ka-Band[J].Journal of Microwaves,2007,23(S1)：116-119.(in Chinese)

[5]樊锡元,张瑞,沈项东.基于波导合成高效高功率密度Ku波段功放[J].雷达科学与技术,2014,12(2)：223-228.FAN Xiyuan,ZHANG Rui,SHEN Xiangdong.High Efficiency and High Power Density Ku-Band Power Amplifier Based on Waveguide Combiner[J].Radar Science and Technology,2014,12(2)：223-228.(in Chinese)

[6]徐建华,蔡昱,汪珍胜,等.Ka波段100W固态功率合成器[J].电子与封装,2010,10(9)：5-7.

[7]刘志红,武华锋,李兵.Ka波段高效紧凑型功率放大器设计[J].火控雷达技术,2013,42(2)：59-63.LIU Zhihong,WU Huafeng,LI Bing.Design of a Ka-Band High Efficiency Compact Power Amplifier[J].Fire Control Radar Technology,2013,42(2)：59-63.(in Chinese)

[8]蔡昱,冯鹤,曹海勇.Ku波段宽带固态功率放大器[J].电子与封装,2011,11(2)：30-33.