Ku頻段80 W固態(tài)功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)

王雷，劉立浩，薛騰，武艷菊

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

Ku頻段80 W固態(tài)功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)

王雷，劉立浩，薛騰，武艷菊

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

針對Ku頻段波導(dǎo)尺寸長、波導(dǎo)合成體積大的現(xiàn)狀，采用基于雙層雙對脊鰭線的新型空間功率合成技術(shù)，綜合運用微帶合成、波導(dǎo)合成等多種合成相結(jié)合的方式，在Ku頻段實現(xiàn)了32路高效、小體積的功率合成。用三維電磁仿真軟件CST和熱設(shè)計軟件ICEPAK進行優(yōu)化仿真，并依托高精度機加工技術(shù)，實現(xiàn)了Ku頻段1 dB壓縮點大于80 W的連續(xù)波輸出功率。

Ku頻段；鰭線；功率合成；熱設(shè)計

0 引言

在微波／毫米波衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，高功率放大器作為發(fā)射鏈路末端的核心器件，其發(fā)射功率的大小直接決定著整個系統(tǒng)的作用距離、抗干擾能力和通信質(zhì)量。相對于電真空放大器，固態(tài)功率放大器因其具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、電壓低、噪聲系數(shù)小、可靠性高等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。

近年來，隨著半導(dǎo)體工藝水平的不斷提高，采用GaAs材料的微波單片集成電路得到廣泛應(yīng)用，由于單個微波集成電路芯片的輸出功率有限，功率合成技術(shù)［1］就成為提高發(fā)射機系統(tǒng)輸出功率的一種可行技術(shù)方案。隨著系統(tǒng)工作頻率的提高和輸出功率的增加，功率合成技術(shù)、模塊化技術(shù)、智能化技術(shù)和散熱技術(shù)仍然是固態(tài)功率合成放大器的核心問題。

本文針對Ku頻段傳統(tǒng)電路合成效率低、波導(dǎo)合成體積大的缺點，采用基于波導(dǎo)雙層雙對脊鰭線空間功率合成新技術(shù)，研制出了一種產(chǎn)品化的Ku頻段80 W固態(tài)功放，并進行了實測指標(biāo)具體分析。

1 方案設(shè)計

Ku頻段80 W固態(tài)功放的整機由固態(tài)功放模塊、衰減器模塊（含數(shù)控衰減器、壓控衰減器）、波導(dǎo)隔離器、耦合檢波器、監(jiān)控模塊、電源模塊和風(fēng)機等組成，如圖1所示。

圖1 Ku頻段80 W固態(tài)功率放大器整機組成

衰減器由數(shù)控衰減器和壓控衰減器組成，放置在射頻鏈路的最前端，用以實現(xiàn)自動電平控制（ALC）功能；固態(tài)功放模塊通過空間功率合成的方式將32個功率芯片的輸出功率疊加用以獲得80 W的功率輸出；輸出耦合器將功率合成后的輸出功率耦合出2路：一路用于耦合監(jiān)測，另一路耦合信號進入檢波器用以功率檢測；監(jiān)控單元用以調(diào)節(jié)功放的增益和電平，查詢功放的溫度和電流等參數(shù)；電源模塊為固態(tài)功放模塊提供＋7 V和－5 V電壓，為監(jiān)控模塊和衰減器模塊提供＋8 V電壓，為風(fēng)機提供＋24 V電壓，電源模塊上帶“EN”使能端，當(dāng)整機過反射或功放模塊超溫時，監(jiān)控模塊可通過“EN”端關(guān)斷電源模塊，使固態(tài)功放模塊停止工作，防止功放模塊損壞，并避免非正常信號發(fā)射干擾其他信道。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 功率合成技術(shù)

多路高效功率合成技術(shù)是決定整個固態(tài)功放系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵因素，低頻段的功率合成往往采用微帶形式進行合成，但隨著頻率的升高，介質(zhì)損耗不斷增大，合成損耗隨著合成級數(shù)的增加而疊加，合成效率顯著下降，所以高頻率的功率合成通常采用空間功率合成的方式。

國內(nèi)外學(xué)者在此方面做過大量的研究工作，提出了各種各樣功率合成［2－6］的方式，各有其優(yōu)缺點，本文在立足于工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上提出了一種全新的多種形式相結(jié)合的空間功率合成方案，其合成路數(shù)達32路，合成效率高于90%。

首先，功率合成采用模塊化思路，將雙層雙對脊鰭線［7－9］與威爾金森功分器相結(jié)合構(gòu)成8路合成，其原理框圖如圖2所示。

圖2 8路功率分配／合成原理

雙層雙對脊鰭線空間功率合成是采用托盤型空間功率合成結(jié)構(gòu)，使用寬帶行波天線來改進系統(tǒng)在波傳播方向的性能。每一個托盤都包含了一些鰭線和鰭線轉(zhuǎn)換器，它采用漸變鰭線作為收發(fā)天線，通過優(yōu)化鰭線基片的厚度，鰭線之間的距離以及曲線的彎曲程度，能夠保證良好的寬帶性能和良好的系統(tǒng)隔離度，這些鰭線或者鰭線轉(zhuǎn)換器把電磁波從波導(dǎo)內(nèi)耦合到MMIC放大器的輸入端，經(jīng)過MMIC芯片放大后再把功率通過鰭線和波導(dǎo)輸出。該空間功率合成放大器的突出優(yōu)點是通過天線輻射的方式在完成波導(dǎo)—微帶過渡的同時實現(xiàn)了多路功分，合成效率顯著提高，合成路數(shù)不再受固態(tài)器件數(shù)量的限制，使得該技術(shù)特別適合于高效、寬帶、小體積、輕重量的大功率空間功率合成放大器的研制。在雙層雙對脊鰭線功率分配／合成的基礎(chǔ)上，在4路功分器的每一支路中加入傳統(tǒng)的威爾金森微帶功分器，使得雙層雙對脊鰭線實現(xiàn)了8路功率合成。

8路功率合成仿真結(jié)果如圖3所示，通過仿真結(jié)果可以看出，在13.5～15 GHz的頻段范圍內(nèi)，插入損耗小于0.1 dB，回波損耗小于－20 dB，具有良好的功分和過渡功能。

在8路功率合成仿真的基礎(chǔ)上加工制作了8路功率合成放大模塊，將8個4 W的功率芯片進行了功率合成，其實物圖如圖4所示，經(jīng)測試，在13.5～15 GHz頻率范圍內(nèi)，1 dB壓縮點輸出功率大于30 W。

圖3 8路功率分配／合成仿真結(jié)果

圖4 8路功率分配／合成模塊實物

為了進一步增加放大器的輸出功率，在8路功率合成模塊的基礎(chǔ)上采用波導(dǎo)空間結(jié)構(gòu)再次進行合成。本文利用一種經(jīng)過改進的波導(dǎo)H－T結(jié)功分器［11］作為基礎(chǔ)單元，采用二級級聯(lián)的結(jié)構(gòu)組成4路功率分配／合成網(wǎng)絡(luò)，將4個30 W的功放模塊進行功率合成，其輸出功率大于50.5 dBm（112 W）。Ku頻段80 W功放模塊級合成的結(jié)構(gòu)框圖和實物圖如圖5和圖6所示。

圖5 Ku頻段80 W功放模塊級合成的結(jié)構(gòu)

圖6 Ku頻段80 W功放模塊實物

2.2 熱設(shè)計

功率放大器是系統(tǒng)中的大功率設(shè)備，單位面積上的功率密度很高，功率放大器的可靠性在很大程度上依賴于其功放結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計，良好的散熱設(shè)計可以有效擴展功率放大器的工作溫度范圍；反之，不良的熱設(shè)計將導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部熱量在某一區(qū)域內(nèi)集聚，常溫下都有可能使得個別關(guān)鍵部件因散熱不暢而失效。熱設(shè)計的原則就是在熱源及耗散空間之間建立一條盡可能低的熱阻通道，使系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量在盡可能短的時間內(nèi)導(dǎo)出至耗散空間，使系統(tǒng)溫度保持在較低的熱平衡狀態(tài)［10］。

Ku頻段80 W固態(tài)功放系統(tǒng)采用GaAs微波晶體管作為基礎(chǔ)功率單元，功率晶體管的結(jié)溫和溝道溫度是影響器件性能和穩(wěn)定性的重要參數(shù)。該固態(tài)功放系統(tǒng)的熱量主要集中在4個功放模塊中，經(jīng)計算4個功放模塊總熱流量為576 W，功放模塊與散熱器表面的接觸面積為256 cm2，所以散熱器表面的熱流密度為2.25 W／cm2。根據(jù)熱流密度及總體設(shè)計要求，系統(tǒng)采用強迫風(fēng)冷的方式進行散熱，為了提高散熱效果，采取以下多種措施來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定工作：

①將功放模塊平鋪在散熱器上，盡量增大熱源與散熱器的接觸面積；

②高的平面加工精度要求，保證功放模塊與散熱器接觸面的平整光滑，減小接觸熱阻；

③在散熱器中填充高導(dǎo)熱率材料，使功放模塊導(dǎo)出的熱量均勻分布在散熱器中；

④合理設(shè)計散熱器肋片，盡量增大穿過散熱器肋片間的空氣流量和風(fēng)速。

結(jié)合上述散熱措施，在55°C的環(huán)境溫度下對工作在飽和輸出功率狀態(tài)下的功率放大器進行熱仿真，結(jié)合ICEPAK軟件的特性，對功率放大器模型進行了一些簡化處理，該功率放大器的主要熱源集中在功放模塊和電源模塊上，首先將功放模塊和電源模塊的最大功耗輸入到軟件中，然后再輸入風(fēng)扇風(fēng)量—風(fēng)壓（P-Q）曲線等參數(shù)，最后對仿真模型劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)并計算。

從仿真結(jié)果來看，當(dāng)外界環(huán)境溫度為＋55℃時，功放模塊傳感器位置的溫升約為22.2°C。經(jīng)過測試，按照此種方法設(shè)計出來的功放系統(tǒng)實際溫升與仿真結(jié)果基本吻合，滿足系統(tǒng)散熱要求。

2.3 工程實用性設(shè)計

在工程應(yīng)用中，Ku頻段80 W固態(tài)功放系統(tǒng)作為通信鏈路的關(guān)鍵設(shè)備，需要長時間連續(xù)工作在戶外環(huán)境中，這就需要對功放系統(tǒng)設(shè)計合理的監(jiān)測控制功能和保護功能，以提高整個功放系統(tǒng)的操作性和穩(wěn)定性。

通過安裝在各個關(guān)鍵部位的參數(shù)傳感器，功放系統(tǒng)內(nèi)的監(jiān)控單元可以實時地監(jiān)測功放系統(tǒng)的輸出功率、功放模塊的溫度和電流，并將這些信息上報給主站監(jiān)控供操作人員參考。當(dāng)輸出功率異常、功放模塊溫度或電流超過設(shè)定的溫度和電流時，監(jiān)控單元將發(fā)出指令，使功放系統(tǒng)啟動保護功能，隔離功放模塊單元，保護功放模塊不被損壞。

在射頻鏈路的最前端安裝有高精度可調(diào)衰減器，通過監(jiān)控單元可以對功放系統(tǒng)的增益電平進行調(diào)節(jié)，并實現(xiàn)自動增益控制功能（ALC），使功放系統(tǒng)的輸出功率在環(huán)境溫度和輸入電平發(fā)生變換時保持基本穩(wěn)定。

3 測試結(jié)果分析

根據(jù)上述關(guān)鍵技術(shù)，最終研制出了Ku頻段80 W固態(tài)功率放大器，固態(tài)功率放大器充分考慮了工程和產(chǎn)品化設(shè)計，采用220 V交流供電，具有標(biāo)準(zhǔn)的外形結(jié)構(gòu)，配備了標(biāo)準(zhǔn)的輸入、輸出接口、耦合接口、監(jiān)控網(wǎng)口和CAN口等。

根據(jù)要求對功放系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)進行了全面測試，其主要測試指標(biāo)如表1所示。

表1 測試指標(biāo)

測試結(jié)果表明，在Ku頻段13.5～15 GHz的頻率范圍內(nèi)，該固態(tài)功率放大器1 dB壓縮點輸出功率大于50.5 dBm（112 W），功率合成效率高于90%，具有體積小、易散熱、易加工和可靠性高等優(yōu)點。因所使用芯片非線性特性的局限性，同時為了滿足整機三階互調(diào)－25 dBc的要求，該固態(tài)功率放大器作為80 W輸出使用。

4 結(jié)束語

本文研制了一種基于空間功率合成的Ku頻段固態(tài)功率放大器，并給出了測試結(jié)果。該固態(tài)功率放大器在Ku頻段13.5～15 GHz的頻率范圍內(nèi)，通過空間功率合成技術(shù)實現(xiàn)了1 dB壓縮點輸出功率大于112 W（50.5 dBm），功率合成效率高于92.2%，整機效率高于20%，整機重量小于11.5 kg。該固態(tài)功放系統(tǒng)的設(shè)計面向工程化應(yīng)用，具有標(biāo)準(zhǔn)的接口，且通過了高溫、低溫、振動、電磁兼容和鹽霧等各項試驗，各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

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Design and Implementation of a Ku-band 80 W Solid-state Power Amplifier

WANG Lei，LIU Li-hao，XUE Teng，WU Yan-ju
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

Considering the problems of large waveguide dimensions and large volume waveguide synthesis of Ku-band，32-way power combining is achieved with small volume and high efficiency by adopting a new spatial power combining technology based on double antipodal fin-line，and by combining a variety of synthesis methods such as microstrip synthesis and waveguide synthesis.A con-tinuous wave power greater than 80 W at 1 dB compression point in Ku-band is achieved by means of three-dimensional electromagnetic simulation software CST and thermal design software ICEPAK as well as high-precision processing technology.

Ku-band；fin-line；power combining；thermal design

TN74

A

1003－3106（2015）11－0073－04

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.11.19

王 雷，劉立浩，薛 騰，等.Ku頻段80W固態(tài)功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.無線電工程，2015，45（11）：73－76.

王 雷男，（1982—），碩士，工程師。主要研究方向：微波毫米波射頻電路。

2015-08-05

劉立浩男，（1978—），碩士，高級工程師。主要研究方向：微波毫米波射頻電路。