EHF频段40 W氮化镓发射机设计

刘立浩，余承伟，薛 腾

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

随着卫星通信的蓬勃发展，C频段和Ku频段资源日趋紧张，卫星通信逐渐向高频段扩展，极高频(Extremely High Frequency，EHF)成为目前卫星通信领域的研究热点。EHF频段卫星通信系统具有频率资源丰富、抗干扰能力强和通信终端体积小等优点，在军事领域具有重要意义[1]。目前，主要的EHF军用卫星系统有美国的Milstar系统和AEHF系统[2]、英国的Skynet系统[3]和法国的Syracuse系统[4]。其中，美国的Milstar系统和AEHF系统上行链路频率为43.5～45.5 GHz，下行链路频率为20.2～21.2 GHz[5]。

使用国产EHF频段17 W(45.5 GHz频点饱和输出功率)GaN功放芯片，采用一种改进型波导E-T结[6]和波导—微带探针过渡[7]相结合的新型四路功率分配/合成结构，研制出EHF频段58 W(即47.6 dBm)GaN功放模块，基于该功放模块，成功研制了EHF频段40 W GaN发射机。

1 组成和工作原理

EHF频段40 W发射机主要由上变频模块[8]、驱动放大器、功率合成模块、耦合器、检波器、监控单元、电源模块、电源滤波器和风机等部分组成，整机组成如图1所示。

图1 EHF频段40 W发射机组成框图Fig.1 Block diagram of EHF-band 40 W transmitter

10 MHz参考信号和C频段中频信号的合路信号进入EHF频段40 W发射机，首先进入上变频模块，模块将10 MHz参考信号和中频信号分离，10 MHz信号锁定模块中内置的100 MHz晶振，100 MHz信号作为鉴相频率；上变频模块将中频信号变频为EHF频段信号，并提供一定的增益，在上变频模块中内置了衰减器芯片用于整机增益的调节；之后EHF频段信号依次进入驱动放大器和功率合成模块，进行功率放大；最终，EHF频段信号经波导耦合器的主路输出。

监控单元负责采集各模块的状态信息，经过处理后，以LAN接口形式输出到监控网口；监控单元还可控制上变频模块中衰减器的衰减量和电源模块的通断，当发射机出现本振失锁或过温时，监控单元可切断功率合成模块的供电，使功放停止工作，防止功放模块损坏，并避免非正常信号发射干扰其他信道。

电源模块为各模块提供直流供电；风机将各模块传导到散热翅片的大量热量导出，使整机温度维持在一个稳定的范围。

2 设计与仿真

下面对EHF频段40 W发射机的关键部件进行设计分析，使用三维电磁场仿真软件HFSS对关键部件进行了建模仿真，并给出了仿真结果。

2.1 功率合成模块设计

2.1.1 改进型波导E-T结[9]

波导T型结是一个简单的三端口网络，可以用于功率分配或功率合成。波导T型结示意如图2所示。

图2 波导T型结示意Fig.2 Schematic diagram of waveguide T-junction

常用的波导T型结可分为H面T型结(H-T结)和E面T型结(E-T结)[10]，其中E-T结更适合作为固态功率合成器的基本功分/合成单元[11]。波导E-T结为三端口无耗器件，这种三端口网络无法实现3个端口的同时匹配。如果以S11最小为设计目标，折中端口回波损耗和端口间隔离，可得到三端口网络S参数理想值为：

(1)

由能量守恒定律可得：

|S22|2+|S23|2+0.5=1，

(2)

|S22|=|S33|=|S32|=|S23|=-6 dB。

(3)

由式(3)可知，波导E-T结的端口2和端口3典型回波损耗为-6 dB，隔离度为-6 dB[12]。

由于T型结存在不连续性，所以T型结等效于一个寄生电抗效应，从而使电磁波在T型结处传播时会有相位的延迟，所以在设计时应该加入电抗补偿。为有效改善输入端口回波损耗和拓宽工作频率，本设计在普通波导E-T结上进行了改进，具体做法就是添加楔形缺口，与标准波导间进行斜渐变以拓宽频带[13]。改进型波导E-T结三维模型如图3(a)所示，仿真结果如图3(b)所示。

图3 改进型波导E-T结Fig.3 Improved waveguide E-plane T-junction

仿真结果显示，在43.5～45.5 GHz频率范围内，改进型波导E-T结具有低插入损耗、等功率分配的特性，输入端口1的回波损耗优于25 dB。

2.1.2 波导—微带探针过渡

目前，波导—微带探针过渡[14]是应用最为广泛的波导—微带过渡形式，相比其他过渡方式，具有明显的优点：插入损耗低、回波损耗小、可覆盖较宽频带、结构紧凑和加工方便。

波导—微带探针过渡有2种常用的形式：一种是微带平面的法向方向与波导内电磁波传播的方向平行，称之为H面探针过渡；另一种是微带平面的法向方向与波导内电磁波传播的方向垂直，称之为E面探针过渡[15]，如图4所示。这2种方法都是将微带探针通过波导宽边中心的孔插入波导腔中，通过一段起耦合作用的探针将波导中的电场耦合到微带中去。矩形波导中距离过渡器四分之一波长的短路活塞保证探针在波导内处于电场最强位置，以达到尽量高的耦合效率。探针过渡具有容性电抗，一段具有感性电抗的高阻抗线被串联在探针过渡器后面，以消除容性电抗，然后经过四分之一波长阻抗变换器实现与50 Ω微带线的阻抗匹配[16]。

图4 波导—微带探针过渡结构Fig.4 The structure of the waveguide to microstrip probetransition

图5(a)是波导—微带探针过渡在HFSS中的仿真模型，从图5(b)的仿真结果可以看出，该探针结构在43.5～45.5 GHz范围内插入损耗小于0.1 dB，回波损耗优于30 dB(2个端口回波损耗曲线重合)，性能指标优良。

图5 波导—微带探针过渡Fig.5 The waveguide to microstrip probetransition

2.1.3 功率合成模块设计

将改进型波导E-T结和波导—微带探针过渡相结合，组成了一种新型四路功率分配/合成结构，其结构模型如图6所示。

图6 四路功率分配/合成结构模型Fig.6 The 3D model of four-way power-dividing/combining structure

经软件仿真，该四路功率分配/合成结构在43.5～45.5 GHz频率范围内，插入损耗小于0.2 dB，回波损耗优于20 dB，并具有良好的幅度和相位一致性。

基于微组装工艺，使用4片国产EHF频段17 W GaN功放芯片，通过该四路功率分配/合成结构进行功率合成，最终实现了EHF频段58 W(即47.6 dBm)功率合成模块，合成效率达到85%。

2.2 上变频模块设计

上变频模块的组成框图如图7所示。

图7 上变频模块组成框图Fig.7 Block diagram of up-converter module

2.2～4.2 GHz的S频段信号进入上变频模块，首先经过放大器对中频信号进行放大，放大器两端的π型衰减器用于改善驻波和调整模块增益；之后经过低通滤波器，与41.3 GHz的本振信号进行混频，得到43.5～45.5 GHz的EHF频段信号；EHF频段信号经过带通滤波器，以滤除带外杂散，并经过放大器进行信号放大；最后EHF频段信号经过波导隔离器输出[17]。

41.3 GHz的单点本振由5.9 GHz七倍频得到。5.9 GHz频率是采用取样锁相方案得到，鉴相频率为100 MHz，相位噪声指标优良[18]。

2.3 工程实现

EHF频段40 W GaN发射机机箱采用全密封结构，可直接安装于室外天线上。发射机采用模块化设计思路，上变频模块、驱动放大器、功率合成模块、耦合器、检波器、监控单元、电源模块、电源滤波器和风机都作为一个模块独立存在，各模块单独调试和测试完成之后装入机箱，通过接插件相互连接，减少了操作环节，具有操作方便、性能可靠的优点。

发射机是系统中的大功率设备，其可靠性在很大程度上依赖于机箱结构的热设计，良好的热设计可以有效地保障发射机在恶劣环境温度下正常工作；反之，不良的热设计将导致发射机内部热量在某一区域内积聚，使个别关键部件因散热不畅而失效。热设计的原则就是在热源及耗散空间之间建立一条低热阻的通道，使发射机产生的热量在尽可能短的时间内导出，发射机能保持在较低温度的热平衡状态[19]。

结合热仿真数据和工程经验，该发射机采用强迫对流方式进行散热，并在兼顾发射机体积和重量的条件下，对影响发射机散热的所有参数进行了优化选择，最终机箱散热器材料选用6063-T5变形铝，功放模块盒体材料选用无氧铜，芯片载体材料选用金刚石铜，导热界面材料选用0.15 mm厚的人工石墨均温片。为了良好地散热，机箱还采用先进的真空焊接铝制均温板技术，并通过仿真优化，确定了机箱散热翅片的最优厚度为1 mm，间隔为3 mm。

最终研制的EHF频段40 W氮化镓发射机实物如图8所示。

图8 EHF频段40 W氮化镓发射机实物Fig.8 Photograph of EHF-band 40 W GaN transmitter

3 测试结果及分析

对EHF频段40 W GaN发射机的各项指标进行了全面测试，测试结果如表1所示。

表1 发射机指标Tab.1 Specifications of the transmitter

测试结果表明，该发射机输出功率大于40 W，性能指标优良，整机体积和重量较小，具有很强的市场竞争力。

4 结束语

提出了一种新型四路功率分配/合成结构，基于国产17 W GaN功放芯片，成功研制了EHF频段40 W GaN发射机，测试结果表明该产品性能指标优良。该发射机充分考虑了实际工程应用和产品化设计，具有体积小、重量轻、散热好、可靠性高和易于批产等优点。该发射机经过高低温、振动、冲击、淋雨和湿热等各项环境试验考核，工作稳定可靠。该发射机可应用于固定站、车载站、舰载站和机载站等多种卫星通信系统站型中，具有广阔的市场应用前景。