毫米波400 W连续波固态功放设计

李新胜

(中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047)

毫米波400 W连续波固态功放设计

李新胜

(中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047)

针对未来深空测控及其他航天器的测控通信需求，提出了一种基于单片微波集成电路(MMIC)的新颖高效2×6路结构的波导功率合成方案。利用三维电磁场软件HFSS 建模仿真，并以此为基础研制了38 W功放模块和功率合成器。通过模块化设计、分布式散热和结构一体化等多种技术措施，设计的毫米波固态功放实现了192路芯片高效率合成。测试结果表明，在1 GHz带宽内输出P1dB功率达到400 W(连续波)，合成效率达到80%以上，散热效果理想，设备稳定。

Ka频段；连续波；固态功放；合成器；合成效率；热设计

0 引言

由于Ka频段测控系统在信噪比、带宽和抗干扰能力等方面的先天优越性，未来深空探测任务的上行工作频段将逐渐从目前的S频段、X频段向Ka频段方向过渡、发展。但由于Ka频段微波单片集成电路(MMIC)自身的功率限制，必须进行大规模芯片合成，这又给合成效率和散热带来极大的压力。为适应高功率、高合成效率、高效散热和小型化的未来需求，可通过双面探针(波导微带转换)实现小型化要求，尽力减小各级波导合成器尺寸和减少波导接口数量来降低损耗，通过结构和散热一体化设计达到高效导热和散热的目的。

本文采用一种新颖的非二进制合成器结构，实现大规模功率合成以及合理的热设计，有效规避了二进制结构采用256路结构而导致不必要的输出功率偏高的弊端，不仅缩小了整机体积、减小了供电功率、提高了合成效率，而且大大减轻了散热压力。

1 总体设计方案

整机采用12路合成的方案，合成器采用BJ320波导结构。毫米波400 W固态功放的方案组成框图如图1所示。

图1 毫米波400 W固态功放的方案组成

主要组成部分包括：驱动与监控模块、末级模块、2分路器/合成器、2分路器/合成器、微波组件、分布式供电电源和冷却装置以及各种对外接口等。

信号首先送到驱动与监控模块，该模块主要完成信号放大、功率/增益调节、线性化[1]、射频信号开关等功能。放大后的信号送至2分路器、6分路器，再分别送给各对应的末级功放模块。末级功放模块主要完成功率放大，并通过一定的设计冗余和工艺技术，最大限度地保证各模块的相位和幅度一致性[2]，然后各末级功放模块的大功率信号再送至功率6路合成器、2路合成器，最终12路功率信号进行功率合成。由微波组件对高功率信号进行耦合、检测、馈送负载，最后功率输出。

分布式稳压直流电源分别为各模块独立供电，有利于提高维修性和可靠性。液冷装置也采用分布式设计安装，分别对各模块提供冷却。

2 末级功放模块

末级功放模块是进行功率合成的基础单元，关键部分主要有波导微带转换[3]、波导分路与合成器等。

为尽可能地缩小模块乃至整机的体积，适应小型化要求，波导微带转换采用面对面双探针形式，如图2所示。仿真结果如图3所示。

图2 双探针结构示意

根据预计，每个末级功放模块采用16路芯片合成，合成功率不小于38 W，且考虑功率较大、频率较高以及合成的难度，在末级功放模块内的分路与合成器[4]采用了环形结构[5]，以降低机械加工的难度，减轻功率容量方面的压力。

根据仿真结果，16路分路/合成带内损耗为0.2 dB，如图4所示，实测值约为0.6 dB。

根据芯片厂商提供的参数，芯片输出P1 dB功率为2.5～2.6 W。经16路芯片微组装[6]，再进行功率合成后，在34～35 GHz内输出功率高于38 W，达到设计要求。末级功放模块体积为200 mm×100 mm×20 mm。

图3 波导微带转换S参数仿真结果

图4 16路分路/合成器仿真损耗

3 波导功率合成器

为实现输出功率达到预定要求，方案选择了一种非二进制的合成方式，即采用2个基于魔T结构[7]]的非二进制6分路器[8]，共12路进行功率合成。这样可避免采用传统二进制的16路合成器[9]，既缩小了整机体积又节省了耗电功率、减轻了散热压力，而且节约了大量成本。

6路合成器结构图如图5所示，其外形结构对称，方便功率合成。整个带宽内插入损耗实际小于0.3 dB。带内损耗仿真结构如图6所示，各端口驻波满足使用要求。

图5 Ka频段6分路器三维图

图6 Ka频段6分路器带内损耗仿真结果

4 散热设计

末级功放模块的稳定性和可靠性是系统正常工作的基础，而热设计[10]又直接影响设备的稳定性和可靠性。模块内部共由16个放大芯片组成，合理分布于模块内的2个面上。每个芯片的漏极电压为6 V，在P1 dB时的电流约为3.5 A。因此直流功耗为21 W，输出功率约2.5 W，所以耗散热量为18.5 W。因此，每一面的发热功率为18.5×8=148 W。

考虑留有一定的余量，每一个面的发热功率按180 W来设计散热系统。

通过对热辐射和自然对流及强迫风冷的散热能力比较，都不满足散热的要求，为保证模块正常工作，必须采用液体冷却的方式。根据热传导的传统公式：

Q=KAΔt/L，

式中，Q为传导散热量(W)；K为导热系数，此时紫铜按360 W/m·℃计算；A为导体横截面积(m2)；Δt为传热路径两端温差(℃)；L为传热路径的距离(m)。可计算芯片到模块表面各个界面的温差。根据计算，

① 从芯片的管芯到芯片的底部之间的温差为82.84 ℃；

② 芯片与共晶载体之间AuSn的温差为0.98 ℃；

③ 共晶载体的温差为2.58 ℃；

④ 载体与紫铜盒体间焊料的温差为1.16 ℃；

⑤ 紫铜盒体内外面之间的温差为3.61 ℃；

⑥ 盒体表面与散热冷板之间的高导热基片温差为6.0 ℃。

由上述各界面的温差可计算从芯片的沟道出温度到散热冷板的总温差：

Δt总=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4+Δt5+Δt6=97.17 ℃。

当芯片沟道温度为150 ℃时，传导到散热器上的温度为52.83 ℃。因此，为保证芯片的寿命甚至不被烧坏，对芯片的沟道温度保护点应留有一定的余量，这里设140 ℃为保护点温度。当芯片沟道温度为140 ℃时，传导到散热器上的温度为42.83 ℃。也就是末级功放模块的外壳温度不得超过该温度，否则芯片寿命将急剧下降或芯片烧坏。

根据上述条件，通过合理设计散热冷板的结构和冷却液的流量、压力等，最终达到安全散热的目的。

5 整机性能测试

该频段采用的芯片P1 dB输出功率为2.5～2.6 W，进行192路芯片功率合成，包含大电流稳压电源、散热冷板、监控与控保等，整机体积为600 mm×550 mm×350 mm。最终连续波输出P1 dB功率达到400 W以上，最高达450 W，芯片级合成效率大于80%，且可实现各类功能的控制和保护[11]。经48 h满功率考机，其稳定性和可靠性得到进一步验证。整机主要指标参数比较[12-13]如表1所示。

表1 主要指标参数比较

由表1可知，国内目前在固态毫米波功放研究方面的技术水平不逊于国外。实测指标一栏在工作频率、输出功率、合成路数和合成效率等指标方面普遍高于目前已知的同类产品。

6 结束语

本文介绍了一种毫米波频段400 W固态高功放的设计，通过对192路毫米波芯片的功率合成，采用高密度小型化的末级功放模块、非二进制的12路功率合成技术以及高效高功率导热与散热技术，使整机连续波P1 dB功率达到400 W以上。通过长时间考机验证了功率稳定性和散热能力等功能指标，满足未来的需求。在未来工作中，将进一步优化设计，尤其在大电流稳压电源和整机的体积方面还有较大的压缩空间，这将为设备进一步小型化提供支持。

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李新胜 男，(1981—)，高级工程师。主要研究方向：高功率微波、毫米波技术、发射机。

Design of Millimeter-wave 400 W CW Solid State Power Amplifier

LI Xin-sheng

(The27thResearchInstituteofCETC,ZhengzhouHe’nan450047,China)

According to the requirement of measurement and control for deep space TT&C and other spacecraft in the future,a novel and efficient waveguide power combining scheme based on a MMIC with 2×6 structure is proposed.The 38 W power amplifier modules and power combiners are developed based on the three-dimensional electromagnetic field software HFSS modeling and simulation.Through modular design,distributed heat dissipation and structural integration and other technical measures,the millimeter-wave solid state power amplifier designed achieves a high efficiency of 192-way combining.Test results show that,in the bandwidth of 1 GHz,the outputP1dBpower reaches 400 W (CW),the combining efficiency reaches above 80%,the heat dissipation effect is ideal,and the equipment is stable.

Ka-band;continuous wave;solid state power amplifier;combiner;combining efficiency;thermal design

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.01.14

李新胜.毫米波400 W连续波固态功放设计[J].无线电工程,2017,47(1):59-61，70.

2016-10-28

TN73

A

1003-3106(2017)01-0059-03