X 波段1kW 固态发射机设计

郭垚

（西安电子工程研究所，陕西 西安 710100）

20 世纪末到21 世纪初，固态发射机技术在国内得到重视并开始进入实用阶段。原雷达发射机的电真空器件存在寿命短、可靠性差、开机灯丝预热时间长等现象，而固态发射机相比于电真空管拥有高安全性、高效率、高可靠性、瞬时带宽宽、体积小等明显优点，且由于采用了标准化、模块化的功率放大组件，具有很大的灵活性和良好的互换性，因此越来越成为电真空雷达发射机的替代产品[1-3]。

1 固态发射机组成原理

固态发射机主要由驱动放大模块、功率放大模块、功率分配/合成器、定向耦合器、环行器、电源偏置及检测电路等组成（图1）。信号输入后经过驱动放大模块放大后输出至功率分配器分成多路，经过功率放大模块，功率放大后的多路信号经过功率合成后通过定向耦合器环行器输出。

图1 发射机链路框图

整个固态发射机的核心组件是功率放大模块，其中主要器件是功率放大器，选用高效率的功率放大器件是实现大功率发射机的关键。20 世纪70 年代以来，微波单片集成电路（MMIC）以其小型化、稳定性高、易量产等优势，在雷达系统中被广泛使用。氮化镓材料（GaN）拥有宽禁带、击穿场强高、高饱和电子漂移速率，相比于前两代硅（Si）、砷化镓（GaAs）半导体基片材料，氮化镓单片微波集成电路（GaN MMIC）拥有更高的饱和输出功率、更高的工作频率和热导率，因此基于MMIC 的高效率氮化镓功率放大器作为发射机核心功率放大器件是更合适的选择[4-5]。

2 固态发射机设计

2.1 设计要求

工作频率：X 波段（10～11GHz）；发射输出峰值功率：1kW；冷却方式：风冷。

功率放大模块的主要功能是对输入的脉冲微波信号进行功率放大、对八路功率进行合成。功率放大模块的输入功率预设为40dBm，输出功率大于等于58dBm，模块内部GaN 功率放大器的增益约为21dB，确保功率放大器饱和深度小于2dB，使得功率放大器处于稳定工作状态。

2.2 模块间的功率分配/合成器

功率分配/合成器有两类，一类是作为将驱动放大模块的输出功率等幅同相功分、将两个功率放大模块的输出功率进行等幅同相合成；另一类是在功率合成模块内部进行输入功率分配、放大以及合成。低频段的固态发射机因为传输功率较小，通常选择的是微带功率分配/合成器，由于微带传输功率较小，选用波导形式的功率分配/合成器，波导功分器插损小，合成效率较高。

波导形式的功率分配器比较典型就是H-T 等功分器，也称为H-T 接头（图2），分支臂在矩形波导窄边上。当各端口波导中只传输TE10模，且导波从其中一个端口输入，其余各端口均接匹配负载时，H-T 接头具有以下特性：当作为功率分配器时，两支分支臂等幅同相输出；当作为功率合成器时，两支分支臂等幅同相输入时，另一端口有最大输出功率。

图2 H-T 仿真模型图

仿真波导口尺寸为标准波导尺寸22.86×10.15mm2，中间做了模型优化，仿真结果可知分支臂两端口的插入损耗小于0.1dB，合成输出端口驻波小于1.25，见图3-4。

图3 H-T 插入损耗图

2.3 功率放大模块中的功率分配/合成器

图4 H-T 分配/合成端口驻波图

3dB 功分器是以二进制为基础的功率分配/合成网络的基本单元，对输入功率进行90°相差等幅功分，一般的3dB 分支电桥耦合器都采取五分支的结构，为了降低加工难度，采取了四分支线的结构（图5），增加了耦合孔间距。虽然减小了分支线数目会一定程度上减小耦合器的带宽，但可以通过改变分支线的长度、间距等方法弥补。

为了方便功分器与功率放大器的连接，需要采取波导- 微带的过渡结构，而空间功率合成的常用过渡形式有探针过渡和波导开窗过渡。波导开窗过渡是一种谐振式结构，其带宽较窄，理论分析表明其相对带宽在10%左右，且难以保证准确装配，装配引入的误差很大，仿真结果和实际结果有很大差别[6-7]。而探针过渡结构是加工准确，同时装配方便，实验表明仿真结果和实测结果吻合很好。故选用微带探针过渡（图5），同时微带探针具有良好的宽带特性。微带基片沿波导宽边中心对称垂直伸入波导，探针所在位置与波导横截面相垂直。输入信号通过两级3dB 电桥分成四路，再由双探针结构1:2 功分，从而实现1:8 功率分配，功率放大后的信号经过与1:8 功分器对称的8:1 功率合成器功率合成。

图5 E 面3dB 分支电桥及双探针仿真模型图

定向耦合器输入功率后至微带输出的4 个端口，各支路的传输损耗均小于0.4dB，输入输出端口驻波小于1.2，见图6-7。

图6 插入损耗

图7 输入输出端口驻波

2.4 功率放大模块平面图示

功率放大模块采用8 路100W-GaN 功率器件双探针波导3dB 合成方式实现。输入信号通过两级3dB 电桥分成四路，再由双探针结构1:2 功分，从而实现1:8 功率分配，功率放大后的信号经过与1:8 功分器对称的8:1 功率合成器功率合成。功率放大模块分为两个面对面对称模块，每个模块由1:4 3dB 电桥、波导- 微带过渡、四个功率放大器、微带- 波导过渡、4:1 3dB 电桥、四块电源调制板、一块电源模板等组成，见图8。

图8 功率放大模块结构示意图

2.5 散热设计

整体发射机系统采用传统强迫风冷进行散热，系统内模块单元自身铣出散热齿，由大功率风机进行抽风。

散热器的表面温度由环境温度、空气从散热器上吸收热量后的温升以及散热器对通道内冷却空气的温升这三部分温度构成。空气从散热器上吸收热量后的温度增加取决于器件耗散功率和总的空气流量。散热器对通道内冷却空气的温升取决于通过散热器的风速以及空气流量，通过散热器的风速又与散热器的几何形状有关。

3 测试结果及分析

测试时在25°、-40°和55°输入功率7dBm，在10～11GHz 每隔100MHz 选择一个频点测量其输出功率的大小。结果显示在55?条件下，在10.9 和11.0GHz 的频点输出功率小于1kW，其余频点输出功率均大于1kW，测试结果满足设计要求，见图9。

图9 不同温度下的输出功率

4 结论

本文通过采用先进的GaN 功率器件和比较成熟的固态发射机技术设计模块化、标准化、系列化的功率放大模块，为C/X/Ku 波段大功率模块的实现提供一条途径。文章通过对两类功率分配/合成器的建模与仿真，为实现大功率传输、多路功率以及波导- 微带的过渡结构提供了一些借鉴性的方法，后续改进方向可以把波导换为带状线，既可以承受大功率又可以进一步缩小体积。通过实物测试，在10～11GHz 频带内，输入7dBm 功率，实测输出功率1kW 以上，满足设计要求。