Ku波段固态功率模块的研究

杨 强，袁晓磊

20世纪80年代以来，伴随着GaAs、GaN等新材料及HBT、HEMT等半导体新工艺的发展和完善，微波单片集成电路的性能和制备技术日趋成熟，相应的，发射机固态化及其优点逐步获得工程认可，广泛应用于地面、车载、机载等雷达领域[1]。为实现更大的作用距离、更好地抗干扰能力，现代制导、雷达等微波系统对发射机的功率输出能力要求越来越高，而鉴于半导体功率器件有限的输出能力，功率合成技术获得了广泛关注[2]。为实现较大的功率输出量级，获得较高的合成效率，需要针对具体的工程应用背景对合成单元的功率能力、单元间的幅相一致性和结构体积进行综合考虑[3]。

针对日益受到关注的Ku频段，为满足雷达和制导工作背景的特定需要，研制设计了不同形式的功率模块，内部集成有调制和电源处理功能，具有适应调制信号重频及高占空比连续可变的优点，具备电气、结构及可靠性等指标综合适应性。

1 理论分析

作为合成系统的基础单元，功率模块设计伊始，应针对系统的应用背景综合考虑。Ku频段工程应用十分广泛，不同背景的使用要求也有所区别，例如弹载发射机通常工作带宽窄、占空比高、体积小、工作时间短，要求模块化设计围绕小型化进行相应的微波和热设计；地面雷达通常工作带宽宽、占空比低、工作时间长，要求模块化设计以长期稳态可靠性为重点进行相应的设计。

模块的实现方式可以是级联高增益，也可以是合成功率子单元，前者降低驱动设计难度，后者简化合成器支路数；为降低工艺和器件不一致性的影响，综合高功率系统的结构设计和工艺实现，合成子单元形式更有利于改善合成系统的设计复杂性。

功率子单元的实现可以采用平面合成形式，平面合成器类型可以是功分形式的，例如威尔金森功分器，也可以是耦合形式的，例如兰格电桥、平衡电桥、环形电桥等；此外借助三维电磁场仿真软件，微带魔T形式的功分电路形式也获得了实现和应用。基于集成性、装配便易性及成本考虑，平面合成器通常采用介质基板制备，而芯片化合成器能进一步提高模块空间利用率。近年来，波导基的空间合成技术受到广泛关注，该技术的关键之处在于采用基于天线原理的探针或模式转换原理的鳍线结构实现波导与平面带线间能量传输的低损过渡。空间合成效率高，特别适用于高频能量传输，但机加工要求较高，结构、散热及密封性等性能较之平面合成实现方式有所欠缺。

2 设计及性能测试

综合以上分析，结合平面合成和空间合成技术各自的特点，针对不同应用背景设计并实现了三种形式的功率模块，采用中国电子科技集团公司第十三研究所设计的功率放大器芯片制备，形式与特性分别介绍如下。

模块一：模块的合成器采用威尔金森功分器形式，模块的接口形式为波导BJ180，采用微带探针方式实现平面化过渡，工作带宽可覆盖波导带宽。在三维仿真CAD软件HFSS中建模并进行相应的仿真，微带探针的模型及仿真曲线如图1所示，在关注的Ku频段内，无源插入损耗≤0.2dB，具有良好的匹配特性。

基于该种形式，设计并实现了一种功率模块，在Ku频段1GHz频率带宽范围内，输出峰值功率≥43dBm，模块效率≥24%。该种形式的功率模块可同平面集成微波和调制电路，由于模块厚度仅受限于波导短路面的深度尺寸，其余部分均为平面电路结构，因而模块的厚度最小，可实现最小厚度尺寸仅为8mm。

图1 微带探针的模型及仿真曲线

模块二：采用微带魔T功分器形式设计合成器。在微波仿真软件中进行三维建模和仿真，微带魔T的合成结构模型及仿真情况如图2所示。根据仿真结果，合成结构的背对背插入损耗低于0.1dB.由于采用的是魔T原理，因此支路间的隔离效果可达25dB以上，隔离端达35dB以上，具有较好的匹配特性。电路的相对带宽约达18%。

基于该种形式设计并实现了一种功率模块，接口形式为波导BJ180，采用微带探针方式实现平面化过渡。在Ku频段1GHz频率带宽范围内，输出峰值功率≥43dBm，模块效率≥24%。具有良好的耐功率特性，适用于高占空比工作模式。由于合成部分也是平面化安装的，只是微带魔T的隔离端部分需要在背面局部开槽防止短路，因而该种形式的功率模块最小可实现厚度约10mm。

图2 微带魔T合成结构模型及仿真结果

模块三：合成器采用波导双探针形式，接口形式为波导BJ180，相对工作带宽约25%。在三维仿真CAD软件HFSS中建模并进行相应的仿真，合成结构具有良好的损耗特性，仿真结果显示，背对背理论损耗低于0.2dB。端口回波损耗优于15dB，结构模型及仿真情况如图3所示。

依据模型进行实际电路设计，实测背对背损耗低于0.4dB，在Ku频段1GHz频率带宽范围内，设计的有源功率模块，输出峰值功率≥43.5dBm，模块效率≥27%，具有比较理想的合成效果。

图3 波导双探针模型及仿真结果

上述功率模块均具有良好的功率扩展能力，由于模块内部已集成调制和电源处理电路，非常便于进一步合成实现更高功率规格的功率单元或发射机。设计了一款由4个模块拼合实现的80W功率单元，6kHz重频条件下，实测顶降≤5%，上升沿时间≤5ns，下降沿时间≤7ns，具有良好的脉冲调制响应特性。

3 结论

针对Ku频段典型的应用背景及其特点，设计并制备了3种不同合成形式的固态功率模块，在较宽的工作频带内获得了高功率输出能力。所设计的模块均具有电路体积小、合成和功率效率高、调制性能优越等优点，具有良好的功率扩展能力。考虑到所实现的功率模块具备易于装配及测试、一致性好等优点，非常适于批量生产。模块工作在Ku典型频段，具有明确的项目背景和良好的工程应用前景。