基于波導(dǎo)合成高效高功率密度Ku波段功放?

樊錫元,張 瑞,沈項(xiàng)東

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥230088)

0 引言

高功率放大器是微波/毫米波無(wú)線(xiàn)電子系統(tǒng)中核心部件，其發(fā)射功率的大小直接決定了作用距離、抗干擾能力及通信質(zhì)量。固態(tài)放大器因其具有體積小、供電電壓低及使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，在目前電子系統(tǒng)小型化趨勢(shì)下得到廣泛應(yīng)用。但固態(tài)放大器件輸出功率有限，為獲得更大功率輸出，往往需要功率合成技術(shù)。傳統(tǒng)的電路合成技術(shù)采用威爾金森電橋、分支線(xiàn)電橋、Lange橋等功分/合成網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用廣泛，但平面?zhèn)鬏斁€(xiàn)損耗大，合成效率隨合成網(wǎng)絡(luò)級(jí)數(shù)增加顯著下降，因而限制了放大器的數(shù)量，無(wú)法滿(mǎn)足高效率與大功率的要求。近年來(lái)提出的空間功率合成技術(shù)最大優(yōu)點(diǎn)在于合成效率高，適合多器件合成得到大功率，如準(zhǔn)光合成、波導(dǎo)內(nèi)合成以及波導(dǎo)裂縫陣[1-4]等。但是結(jié)構(gòu)上的缺陷使它們?cè)诠Ψ派徇@個(gè)重要性能上有很大的不足，難于適應(yīng)大功率輸出、高熱流密度功放場(chǎng)合。本文提出一種符合工程應(yīng)用的高效合成方案，在Ku波段實(shí)現(xiàn)180 W以上的高占空比(20%)高峰值功率輸出，為國(guó)內(nèi)Ku頻段雷達(dá)、SAR及通信設(shè)備提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1 整體方案結(jié)構(gòu)

有源模塊采用Ku波段高功率輸出的Ga N功率芯片，2只15 W功率芯片合成輸出在25 W左右，構(gòu)成一個(gè)功率小模塊。整個(gè)功放模塊由8只小模塊合成輸出。輸出合成部分采用高效波導(dǎo)合成電路與波導(dǎo)-微帶雙探針結(jié)合，波導(dǎo)采用BB180標(biāo)準(zhǔn)，大大壓縮合成空間尺寸。輸入分配電路采用微帶電路與波導(dǎo)微帶雙探針結(jié)合，進(jìn)一步縮小分配電路空間。整體方案框圖如圖1所示。

圖1 整體方案框圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 25 W小模塊設(shè)計(jì)

25W小模塊采用國(guó)產(chǎn)Ku波段高功率GaN芯片，其指標(biāo)參數(shù)如表1和圖2所示。

表1 GaN芯片的性能參數(shù)

圖2 Ga N芯片指標(biāo)參數(shù)

25 W模塊采用微帶威爾金森電路分配/合成2個(gè)芯片，得到輸出功率。工藝采用芯片與鉬銅載體共晶焊，再與無(wú)氧銅基座焊接，保證了芯片性能和散熱需求，同時(shí)模塊整體要求錫焊封蓋，達(dá)到氣密性要求[5]。模塊體積要求嚴(yán)格，因保證后繼波導(dǎo)雙探針間隔要求，其高度僅為3 mm。實(shí)物圖片如圖3所示。

圖3 25W模塊實(shí)物圖片(22 mm×19 mm×3 mm)

典型模塊測(cè)試指標(biāo)如表2所示。

表2 25W模塊測(cè)試指標(biāo)

模塊相位一致性經(jīng)測(cè)試在±10°以?xún)?nèi)。

2.2 BB180波導(dǎo)微帶雙探針設(shè)計(jì)

BB180波導(dǎo)微帶雙探針是功率組件高效合成和高功率密度集成的關(guān)鍵。雙探針的功能是:(1)完成25 W小模塊微波功率傳輸由微帶半開(kāi)放場(chǎng)模式轉(zhuǎn)化為波導(dǎo)場(chǎng)模式;(2)完成2個(gè)小模塊功率第一級(jí)分配/合成;(3)利用波導(dǎo)模式實(shí)現(xiàn)小模塊的立體安裝排布，從而實(shí)現(xiàn)微波功率高密度集成。

通常使用的波導(dǎo)-微帶過(guò)渡包括微帶探針過(guò)渡、脊波導(dǎo)過(guò)渡等。在這里我們采用波導(dǎo)微帶雙探針過(guò)渡，它是對(duì)微帶探針過(guò)渡的一種拓展，在過(guò)渡的同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩路功分/合成。文獻(xiàn)[6]給出了矩形波導(dǎo)-同軸交叉耦合接頭的等效電路，根據(jù)這一模型可以得到矩形波導(dǎo)-微帶探針耦合結(jié)構(gòu)等效電路如圖4(a)所示。端口1、2是波導(dǎo)端口，端口3是微帶端口，波導(dǎo)端口參考面為通過(guò)探針中心線(xiàn)的波導(dǎo)橫截面，微帶端口參考面為探針插入的波導(dǎo)側(cè)壁所在平面。j X s是探針插入波導(dǎo)對(duì)波導(dǎo)傳輸引入的不連續(xù)性電抗，j X p是探針本身的電感感抗，j B a、j B b和j B c是探針耦合區(qū)不連續(xù)性電納。理想變壓器變比n1、n2表示探針末端電壓與波導(dǎo)主模電壓以及微帶端口TEM模電壓與波導(dǎo)主模電壓之比值?？紤]到j(luò)B c數(shù)值遠(yuǎn)小于j B a和j B b，略去該元件并不會(huì)產(chǎn)生明顯誤差，因而得到簡(jiǎn)化模型如圖4(b)所示。圖中虛框內(nèi)為波導(dǎo)內(nèi)探針本身電感和探針末端與波導(dǎo)壁間隙分布電容的電納。變壓器代表微帶準(zhǔn)TEM模式與波導(dǎo)TE10模式的耦合，變比為兩種模式電壓之比，j B b則表示微帶端口附近局部高次模式儲(chǔ)能對(duì)應(yīng)的電納[7]。

圖4 波導(dǎo)微帶雙探針等效電路模型

基于以上分析，我們采用HFSS場(chǎng)仿真軟件仿真，設(shè)計(jì)模型如圖5所示。

圖5 雙探針模型

設(shè)計(jì)采用RT5880微帶板，微帶電路朝內(nèi)，即面對(duì)面，在2個(gè)探針電路上方半開(kāi)放場(chǎng)連接形成全開(kāi)放空腔，以便后繼模塊安裝。模型仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 雙探針?lè)抡娼Y(jié)果

從指標(biāo)結(jié)果來(lái)看，總口駐波優(yōu)于1.2，插損小于0.3 dB。

2.3 170 W組件輸出合成電路設(shè)計(jì)

170 W組件輸出合成電路為保證高效率合成采用波導(dǎo)合成，為減小合成空間，保證高密度功率集成，波導(dǎo)采用BB180波導(dǎo)。由于功率芯片存在一定的負(fù)載牽引效應(yīng)。各個(gè)小模塊合成如隔離度差，將影響小模塊在整件內(nèi)工作狀態(tài)，達(dá)不到額定輸出功率指標(biāo)，更有可能影響工作可靠性。所以在波導(dǎo)合成采用了波導(dǎo)3 dB電橋?？紤]到尺寸體積，設(shè)計(jì)采用3分支結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高密度功率集成。輸出合成電路分為3級(jí):第1級(jí)為波導(dǎo)微帶雙探針;第2級(jí)為波導(dǎo)3 d B電橋;第3級(jí)為波導(dǎo)HT結(jié)構(gòu)，在波導(dǎo)上片開(kāi)波導(dǎo)孔輸出合成功率。

(1)波導(dǎo)電橋(正交耦合器)

波導(dǎo)正交耦合器也是一種波導(dǎo)形式的分路(合路)器，優(yōu)點(diǎn)是損耗小、駐波好、兩路隔離大，同時(shí)相對(duì)帶寬在10%以?xún)?nèi)性能較好;缺點(diǎn)是體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

設(shè)計(jì)的3分支波導(dǎo)電橋模型如圖7所示，結(jié)果指標(biāo)如圖8所示。波導(dǎo)正交耦合器的仿真結(jié)果，表明在工作頻段內(nèi)有良好的合成性能以及近30 dB的端口駐波和隔離度，在模塊合成電路可以有效防止駐波牽引拉偏。

圖7 3分支Ku波段波導(dǎo)電橋模型

圖8 波導(dǎo)電橋仿真結(jié)果

(2)H面的T形合成器

波導(dǎo)功分(功合)器用于功率合成，具有差損小、合成效率高的優(yōu)點(diǎn)[8-9]。類(lèi)型分為E面和H面合成。H面仿真模型及結(jié)果如圖9所示。

圖9 波導(dǎo)HT模型及仿真結(jié)果

上面的仿真結(jié)果表明H面波導(dǎo)功分(功合)器在工作頻段內(nèi)有良好的合成性能，合成口駐波優(yōu)于1.1。

(3)輸出合成三級(jí)電路總成

輸出合成三級(jí)電路總成模型及仿真結(jié)果如圖10所示。

其仿真參數(shù)指標(biāo)如圖11所示。

圖10 輸出合成三級(jí)電路總成模型

圖11 輸出合成三級(jí)電路總成仿真參數(shù)指標(biāo)(16 GHz)

2.4 170W組件輸入分配電路設(shè)計(jì)

170 W組件輸入分配電路如圖12所示，其主要功能是:完成輸入功率1∶8分配;完成與輸出合成電路各分支的配相，同時(shí)盡可能電路小型化，減小電路面積。設(shè)計(jì)中輸入分配電路面積僅為輸出電路面積一半。輸入電路也分三級(jí):第1級(jí)為波導(dǎo)微帶雙探針;第2級(jí)為微帶Lange橋，實(shí)現(xiàn)與輸出波導(dǎo)電橋配相;第3級(jí)為微帶威爾金森功分。設(shè)計(jì)中因雙探針為面對(duì)面結(jié)構(gòu)便于小模塊安裝，造成輸入分配電路也面對(duì)面，這樣不便于整件電路相位調(diào)試。在Ku波段合成，主要是相位影響，而相位調(diào)試主要在輸入電路完成。為完成此功能，需要加入微帶傳輸垂直過(guò)渡電路。

2.5 170 W組件整體設(shè)計(jì)

170 W組件設(shè)計(jì)采用波導(dǎo)腔中間剖分結(jié)構(gòu)，在2個(gè)對(duì)稱(chēng)的鋁板上銑出半波導(dǎo)槽，在雙探針開(kāi)放場(chǎng)處，加入25 W小模塊。如圖13所示，波導(dǎo)上片內(nèi)安裝4個(gè)小模塊，波導(dǎo)下片安裝4個(gè)小模塊，兩片結(jié)合形成完整波導(dǎo)腔，微波功率合成輸出。組件的實(shí)物尺寸為105 mm×75 mm×32 mm。

圖12 輸入分配電路(波導(dǎo)上片部分)

3 測(cè)試結(jié)果及分析

170W組件測(cè)試條件:脈沖寬度為25μs，占空比為19%，漏極電壓脈沖幅度為28 V。表3為170 W組件實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

表3 170W組件實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖13 170W組件實(shí)物圖片(上片/下片)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于波導(dǎo)合成Ku波段170 W組件分析與優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，并給出了具體的仿真結(jié)果。從分析和仿真的結(jié)果和實(shí)物測(cè)試可以看出該組件功率分配/合成方式具有高的功率合成效率、結(jié)構(gòu)緊湊。微波固態(tài)有源放大器可以直接固定安裝在波導(dǎo)腔外壁上，能夠進(jìn)行有效的散熱。組件在Ku波段實(shí)現(xiàn)180 W高功率輸出，合成效率達(dá)到85%，功率附加效率達(dá)到25%，功率密度達(dá)到0.135 W/cm3。整體指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。該功率放大器研制成功在毫米波雷達(dá)、通信及SAR領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]ORTIZ S C，HUBERT J，MIRTH L，et al.A High-Power Ka-Band Quasi-Optical Amplifier Array[J].IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques，2002，50(2):487-494.

[2]CHENG Nai-shuo，JIA Peng-cheng，DAVID B R，et al.A 120W X-Band Spatially Combined Solid-State Amplifier[J].IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques，1999，47(12):2557-2561.

[3]JIANG Xin，LIU Li，SEAN C O，et al.A Ka-Band Power Amplifier Based on a Low-Profile Slotted-Waveguide Power-Combing/Dividing Circuit[J].IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques，2003，51(1):144-147.

[4]陳昌明，徐軍，薛良金，等.Ka頻段6W固態(tài)集成功率合成放大器的設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào)，2007，23(S):116-119.

[5]彭高森，金家富.C波段高功率T/R組件設(shè)計(jì)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2011，9(3):277-280.PENG Gao-sen，JIN Jia-fu.Design of C-Band High Power T/R Module[J].Radar Science and Technology，2011，9(3):277-280.(in Chinese)

[6]LEONG Y C，WEINREB S.Full Band Waveguide-to-Microstrip Probe Transitions[C]∥IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest，Anaheim，CA，USA:[s.n.]，1999:1435-1438.

[7]黨章，黃建，鄒涌泉，等.Ku波段80W連續(xù)波空間功率合成放大器設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào)，2010，26(2):64-69.

[8]徐建華，蔡昱，汪珍勝，等.Ka波段100W固態(tài)功率合成器[J].電子與封裝，2010，10(9):5-7.

[9]蔡昱，馮鶴，曹海勇.Ku波段寬帶固態(tài)功率放大器[J].電子與封裝，2011，11(2):30-33.