一种Ku波段固态功率放大模块的设计

周海进 马云柱 张思明 王嘉煜

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

固态功率放大模块是雷达、通信及导航系统中的核心部件，其发射功率的大小直接决定了系统的作用距离、抗干扰能力及通信质量。Ku波段及更高频段受限于器件发展水平，单个功率放大芯片的输出功率相对较小，为了获得更高的功率输出，往往需要采取功率合成技术。

功率合成网络的实现方式较多，常用的主要包括威尔金森功分/合成器、环形电桥、Lange桥、E面波导分支线功分/合成器，H面波导裂缝电桥，魔T、径向波导合成器[1-7]等形式。其中，威尔金森功分器由于隔离电阻附加参数对电路的影响在Ku及更高频段不可忽视，在实际工程中应用相对较少。文献[1]中介绍了一种采用微带环形电桥实现Ku波段大于24W输出的设计实例，文献[2]中采用E面波导功分和Lange桥级联组成8路功分/合成网络实现了Ku波段60W的功率输出，文献[3]中介绍了一种采用魔T与基于陶瓷基板的威尔金森功分器级联组成8路功分/合成网络实现Ku波段80W输出的研究成果，文献[4]采用H-T、双层双对脊鳍线、威尔金森微带功分级联组成32路功分/合成网络实现了80W的功率输出，文献[5]基于16路合成方式实现了大于180W的饱和输出。上述文献中设计实例的共同特点都是首先基于小功率单片多路合成实现基础放大模块，再通过波导合成器外部合成实现大功率输出，合成通道数量较多。如今随着半导体功率器件发展水平的不断提升，功率放大单片的输出功率有了显著提高，这有利于减少模块内的合成通道数量，从而提高模块集成度和可靠性，降低设计难度。

本文通过波导E-T与H面波导裂缝电桥及波导-微带转换级联的方式设计实现了一种4路功分/合成网络，并结合40W功率放大单片，在Ku波段14%的相对带宽范围内实现了大于130W的脉冲饱和输出功率。在保证性能指标的同时，有效简化了设计复杂度，适于工程应用。

1 组成与原理

如图1所示，功放放大模块链路组成由二级功率放大单片级联而成，来自外部的射频激励信号首先经过推动级功率放大，然后经由微带-波导转换和一分4功分网络，分别推动4个40W功率单片进行放大，然后经4路镜像对称合成输出，同时在输出端设置输出功率检测电路和反射功率检测电路，监测模块工作的稳定性。

图1 功率放大模块原理组成框图

2 功分/合成网络设计

在Ku波段固态功率放大模块的设计过程中，一分四混合功分/合成网络的设计是其中的关键部分，其主要由波导E-T一分二功分/合成器、H面波导裂缝电桥和波导-微带转换探针组成，下面进行详细介绍。

2.1 波导E-T功分/合成器设计

波导E-T一分二功分/合成器是一种较为常用的功率分配/合成结构，其优点是工作带宽宽，插入损耗低，相位一致性好。根据应用需求的差异有多种变形结构，本文设计的波导E-T结构如图2(a)所示，为了拓宽其工作带宽，在输出端双臂采用了渐进过渡结构设计，通过ANSYS HFSS软件优化计算后的S参数如图2(b)所示，可以看出，整个工作频带内S11优于-25dB，S21和S31等分输出输出不平衡度优于0.1dB。

图2 波导E-T外形图及S参数仿真结果

2.2 H面波导裂缝电桥

在功率合成应用中，功率芯片输出端口的匹配及端口间的隔离是一个不可忽略的设计要素，上述T型分支波导虽然结构简单，但两个输出端口间的隔离度不高，不适于在合成端与功率芯片直连。H面波导裂缝电桥端口间的隔离度较高，在器件端合成的应用中较为广泛。本文设计的H面波导裂缝电桥如图3(a)所示，为了抑制高次模传输，拓展工作带宽，电桥交叉区域采用了阶梯优化设计。图3(b)给出了电桥S参数的仿真计算结果，可以看到，在整个工作频带内，S11和S41优于-25dB，S21和S31等分输出不平衡度优于0.2dB。

2.3 波导-微带过渡探针

在微波毫米波系统中，微带线是十分重要的传输形式，各功能MMIC芯片主要通过微带线实现互联。低插入损耗的波导-微带过渡探针装置是基于波导合成网络设计中的关键部件，根据探针馈入波导的方式不同可分为E面探针和H面探针，本文设计的E面波导-微带过渡探针结构如图4(a)所示，探针从波导宽边中心距短路面1/4波长处馈入，并通过阶梯阻抗线实现馈入终端阻抗与50Ω阻抗线的匹配，为了抑制高次模的影响，耦合开孔的尺寸也需进行优化。图4(b)中给出了文中设计的波导-微带过渡结构S参数仿真计算结果，可以看出，在整个工作频带内，S11优于-25dB，插入损耗S21优于0.06dB。

图4 波导-微带过渡探针结构外形图及S参数仿真结果

2.4 一分四功分/合成混合网络

在完成上述波导E-T结构、H面波导裂缝电桥及波导-微带探针过渡等部件的设计基础上，将各部件级联形成Ku波段4路功分/合成背靠背网络，结构如图5(a)所示。在ANSYS HFSS软件中对整个网络进行S参数仿真计算，结果如图5(b)所示。可以看出，在整个工作频带内，4路混合功分/合成网络的S11优于-15dB，带内插入损耗S21优于0.3dB，可以满足工程应用要求。

图5 四路混合合成网络外形图及S参数仿真结果

3 测试与分析

在理论分析及仿真计算基础之上，制作了4路功分/合成网络样件，并采用4片Ku波段40W功率放大单片，结合微组装工艺，完成了Ku波段130W固态功率放大模块样机的研制，实物如图6所示。

图6 Ku波段130W固态功率放大模块样机实物图

在脉冲宽度30μs，占空比10%的条件下，对模块在室温环境下性能指标进行了评估，指标如表1所示。可以看出，当外部送入信号电平为12dBm时，在Ku波段14%的相对带宽范围内脉冲输出功率均大于130W，附加效率最低27.9%，最高31.6%，按单片功率芯片标称功率40W计算，带内合成效率位于81.4%～88.5%区间范围。但在实际应用过程中，单片的输出功率受端口驻波匹配、腔体加工和装配误差、以及传输介质损耗的影响，带内实际输出功率均小于40W，我们选取一片同一批次生产的功率单片装配后进行输出功率测试，计算模块实际合成效率位于90.2%～92.9%区间范围，考虑合成结构自身的传输损耗、芯片输出端口驻波匹配的影响，测量值基本符合设计预期。

表1 Ku波段固态功率放大模块测试结果(工作环境：+25℃，强迫风冷)参数：Pin=12dBm；脉冲宽度：30μs；占空比10%；漏极电压：Vd=28V

工作频率输出功率(W)工作电流(A)附加效率实际合成效率f1135.21.5331.6%92.6%f2134.61.5830.4%91.4%f3130.31.6727.9%90.2%f4132.11.6728.3%91.0%f5141.61.6131.4%92.9%

4 结束语

本文介绍了一种Ku波段固态功率放大模块的设计方法，通过采用新型4路混合功分/合成网络，结合4片40W功率放大单片，在Ku波段14%相对带宽范围内实现了大于130W的脉冲功率输出，为后续进一步开展Ku波段大功率固态发射机的研制奠定了基础。