Ka波段100W连续波固态功放模块一体化设计

马云柱 张国强 康 颖 谢 敏

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在毫米波系统中,功放模块是发射链路中的核心设备,其输出功率很大程度上决定了系统的工作效能。在毫米波段受限于功率器件的发展水平,单个功放芯片的输出功率有限,为了获得更高的输出功率,必须采用合适的功率合成技术。毫米波固态功率合成技术主要包括芯片级功率合成、电路级功率合成和空间功率合成等。在实际应用中往往采用多种形式相结合的混合式功率合成方案实现高效大功率输出。

本文介绍了一种基于GaN功率单片(MMIC)的Ka波段100W连续波固态功放模块的设计。主要特点是采用一体化的设计思路,依托精密机械加工技术,在一个模块内采用多种形式的功分合成网络。包括波导-微带转换、波导H面3dB电桥、波导E-T等多种形式相结合的混合功分合成网络,通过三级级联放大链路实现大于100W连续波功率输出。该设计突破了常规的模块化设计方法,优化了设计流程,提高了产品的一致性,具有较强的扩展性。通过更换功率芯片可以实现更大的输出功率。

1 设计方案

如图1所示,功放模块的放大链路由三级功率芯片级联而成,射频激励信号首先经过第一级功率放大,然后经第一个一分二混合式功分网络(即微带-波导转换+波导E-T+波导-微带转换)分别推动第二级驱动功分芯片,经微带波导转换,通过四路混合式功分合成网络(即波导H面电桥+波导E-T+波导微带转换),分别驱动八路末级功率芯片,最后通过波导E-T合成器,实现最终的功率输出。

图1 功放模块原理框图

设计中,采用一体化设计思路,在一个模块内部采用了微波单片集成电路(MMIC)技术、多芯片组件(MCM)技术和多种形式的混合式功分合成网络设计等,其中多种形式的功分/合成网络设计是关键。

2 功分/合成网络设计

在功放模块内部,按照射频信号的传输方向,包括一分二混合式功分网络,四路混合式功分/合成网络和波导E-T功率合成器。

2.1 一分二混合式功分网络

一分二混合式功分网络由“微带-波导转换、波导E-T和波导-微带转换”三部分组成。其中波导-微带转换主要实现将微波能量从波导转入平面微带电路(或相反),根据微带探针馈入波导方式不同分为E面探针和H面探针。本文采用的是E面波导微带探针结构,探针从波导宽边中心距短路面1/4波长处馈入,并通过阶梯过渡实现与微带线的阻抗匹配,同时为了抑制高次模,耦合开孔的尺寸也进行了优化。波导E-T是一种比较常用的功分/合成结构,主要优点是工作带宽宽,插入损耗小。为了拓展工作带宽,在功分的双臂采用渐进过渡的结构设计。模型和仿真结果如图2所示,仿真结果表明在工作频段内,S11优于-20dB,S21和S31优于0.27dB。

图2 一分二混合式功分网络仿真模型及S参数仿真结果

2.2 四路混合式功分/合成网络

四路混合式功分/合成网络由“波导H面3dB电桥、波导E-T和微带-波导转换”组成。这是功放模块内部最关键的功分/合成网络。这种结构形式的优点包括:首先是上下两层隔离度高,提高了可靠性,分腔设计降低了功放芯片之间的互耦,其次这种结构形式较为紧凑,实现了小型化和轻量化。模型和仿真结果如图3所示,仿真结果表明在工作频段内,S11、S31和S41优于-20dB,背对背插入损耗S21小于0.26dB,单边四路混合式功分/合成网络的插损小于0.13dB。

图3 四路混合式功分网络背对背仿真模型及S参数仿真结果

2.3 波导E-T功率合成器

波导合成器由于功率容量高,损耗小,是毫米波功率合成的首选。本文采用的波导E-T两路合成器主要功能是实现末级功放芯片的合成输出,为了拓展工作带宽,在功分的双臂采用渐进过渡的结构设计。其模型和仿真结果如图4所示。仿真结果表明在工作频段内,S11优于-20dB,插入损耗S21和S31小于0.1dB。

图4 波导E-T功率合成器仿真模型及S参数仿真结果

3 功放模块测试和分析

Ka波段100W功放模块的实物如图5(a)所示。该模块采用分层设计,共五层,依次命名为上盖板(带散热齿)、上波导板、中波导板、下波导板、下盖板(带散热齿)。尺寸为:196mm×150mm×72mm。

图5 Ka波段100W连续波固态功放模块实物照片和测试曲线

在常温环境下对模块的性能指标进行了评估,测试和计算结果如图5(b)所示。可以看出,在Ka波段17%的相对带宽范围内脉冲输出功率大于115W,带内起伏小于0.5dB,功率附加效率大于20%,通过输出和输入功率的比对,得到其功率增益大于50dB。

末级功率芯片采用的是国产GaN功率单片(MMIC),推荐工作带宽是32～38GHz,典型饱和输出功率42dBm,根据厂家提供的末级功率单片测试数据,结合实测的功放模块输出功率,计算得到在工作频带内合成效率大于90%。计算结果如表1所示。

表1 功放模块合成效率计算结果

4 结束语

本文介绍了一种Ka波段百瓦量级固态功放模块的设计,采用一体化设计思路,在单个模块内部运用多种形式的功分/合成网络,在Ka波段17%相对带宽内实现大于115W的连续波功率输出,本方案突破了传统的模块化设计思想,结构紧凑,具有很强的扩展性,通过更换功率芯片可以实现单模块更大的功率输出,具有较强的工程应用前景。