毫米波400 W連續(xù)波固態(tài)功放設(shè)計

李新勝

(中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047)

毫米波400 W連續(xù)波固態(tài)功放設(shè)計

李新勝

(中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047)

針對未來深空測控及其他航天器的測控通信需求，提出了一種基于單片微波集成電路(MMIC)的新穎高效2×6路結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)功率合成方案。利用三維電磁場軟件HFSS 建模仿真，并以此為基礎(chǔ)研制了38 W功放模塊和功率合成器。通過模塊化設(shè)計、分布式散熱和結(jié)構(gòu)一體化等多種技術(shù)措施，設(shè)計的毫米波固態(tài)功放實現(xiàn)了192路芯片高效率合成。測試結(jié)果表明，在1 GHz帶寬內(nèi)輸出P1dB功率達到400 W(連續(xù)波)，合成效率達到80%以上，散熱效果理想，設(shè)備穩(wěn)定。

Ka頻段；連續(xù)波；固態(tài)功放；合成器；合成效率；熱設(shè)計

0 引言

由于Ka頻段測控系統(tǒng)在信噪比、帶寬和抗干擾能力等方面的先天優(yōu)越性，未來深空探測任務(wù)的上行工作頻段將逐漸從目前的S頻段、X頻段向Ka頻段方向過渡、發(fā)展。但由于Ka頻段微波單片集成電路(MMIC)自身的功率限制，必須進行大規(guī)模芯片合成，這又給合成效率和散熱帶來極大的壓力。為適應(yīng)高功率、高合成效率、高效散熱和小型化的未來需求，可通過雙面探針(波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換)實現(xiàn)小型化要求，盡力減小各級波導(dǎo)合成器尺寸和減少波導(dǎo)接口數(shù)量來降低損耗，通過結(jié)構(gòu)和散熱一體化設(shè)計達到高效導(dǎo)熱和散熱的目的。

本文采用一種新穎的非二進制合成器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)大規(guī)模功率合成以及合理的熱設(shè)計，有效規(guī)避了二進制結(jié)構(gòu)采用256路結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致不必要的輸出功率偏高的弊端，不僅縮小了整機體積、減小了供電功率、提高了合成效率，而且大大減輕了散熱壓力。

1 總體設(shè)計方案

整機采用12路合成的方案，合成器采用BJ320波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。毫米波400 W固態(tài)功放的方案組成框圖如圖1所示。

圖1 毫米波400 W固態(tài)功放的方案組成

主要組成部分包括：驅(qū)動與監(jiān)控模塊、末級模塊、2分路器/合成器、2分路器/合成器、微波組件、分布式供電電源和冷卻裝置以及各種對外接口等。

信號首先送到驅(qū)動與監(jiān)控模塊，該模塊主要完成信號放大、功率/增益調(diào)節(jié)、線性化[1]、射頻信號開關(guān)等功能。放大后的信號送至2分路器、6分路器，再分別送給各對應(yīng)的末級功放模塊。末級功放模塊主要完成功率放大，并通過一定的設(shè)計冗余和工藝技術(shù)，最大限度地保證各模塊的相位和幅度一致性[2]，然后各末級功放模塊的大功率信號再送至功率6路合成器、2路合成器，最終12路功率信號進行功率合成。由微波組件對高功率信號進行耦合、檢測、饋送負(fù)載，最后功率輸出。

分布式穩(wěn)壓直流電源分別為各模塊獨立供電，有利于提高維修性和可靠性。液冷裝置也采用分布式設(shè)計安裝，分別對各模塊提供冷卻。

2 末級功放模塊

末級功放模塊是進行功率合成的基礎(chǔ)單元，關(guān)鍵部分主要有波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換[3]、波導(dǎo)分路與合成器等。

為盡可能地縮小模塊乃至整機的體積，適應(yīng)小型化要求，波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換采用面對面雙探針形式，如圖2所示。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 雙探針結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)預(yù)計，每個末級功放模塊采用16路芯片合成，合成功率不小于38 W，且考慮功率較大、頻率較高以及合成的難度，在末級功放模塊內(nèi)的分路與合成器[4]采用了環(huán)形結(jié)構(gòu)[5]，以降低機械加工的難度，減輕功率容量方面的壓力。

根據(jù)仿真結(jié)果，16路分路/合成帶內(nèi)損耗為0.2 dB，如圖4所示，實測值約為0.6 dB。

根據(jù)芯片廠商提供的參數(shù)，芯片輸出P1 dB功率為2.5～2.6 W。經(jīng)16路芯片微組裝[6]，再進行功率合成后，在34～35 GHz內(nèi)輸出功率高于38 W，達到設(shè)計要求。末級功放模塊體積為200 mm×100 mm×20 mm。

圖3 波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換S參數(shù)仿真結(jié)果

圖4 16路分路/合成器仿真損耗

3 波導(dǎo)功率合成器

為實現(xiàn)輸出功率達到預(yù)定要求，方案選擇了一種非二進制的合成方式，即采用2個基于魔T結(jié)構(gòu)[7]]的非二進制6分路器[8]，共12路進行功率合成。這樣可避免采用傳統(tǒng)二進制的16路合成器[9]，既縮小了整機體積又節(jié)省了耗電功率、減輕了散熱壓力，而且節(jié)約了大量成本。

6路合成器結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，其外形結(jié)構(gòu)對稱，方便功率合成。整個帶寬內(nèi)插入損耗實際小于0.3 dB。帶內(nèi)損耗仿真結(jié)構(gòu)如圖6所示，各端口駐波滿足使用要求。

圖5 Ka頻段6分路器三維圖

圖6 Ka頻段6分路器帶內(nèi)損耗仿真結(jié)果

4 散熱設(shè)計

末級功放模塊的穩(wěn)定性和可靠性是系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，而熱設(shè)計[10]又直接影響設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。模塊內(nèi)部共由16個放大芯片組成，合理分布于模塊內(nèi)的2個面上。每個芯片的漏極電壓為6 V，在P1 dB時的電流約為3.5 A。因此直流功耗為21 W，輸出功率約2.5 W，所以耗散熱量為18.5 W。因此，每一面的發(fā)熱功率為18.5×8=148 W。

考慮留有一定的余量，每一個面的發(fā)熱功率按180 W來設(shè)計散熱系統(tǒng)。

通過對熱輻射和自然對流及強迫風(fēng)冷的散熱能力比較，都不滿足散熱的要求，為保證模塊正常工作，必須采用液體冷卻的方式。根據(jù)熱傳導(dǎo)的傳統(tǒng)公式：

Q=KAΔt/L，

式中，Q為傳導(dǎo)散熱量(W)；K為導(dǎo)熱系數(shù)，此時紫銅按360 W/m·℃計算；A為導(dǎo)體橫截面積(m2)；Δt為傳熱路徑兩端溫差(℃)；L為傳熱路徑的距離(m)。可計算芯片到模塊表面各個界面的溫差。根據(jù)計算，

① 從芯片的管芯到芯片的底部之間的溫差為82.84 ℃；

② 芯片與共晶載體之間AuSn的溫差為0.98 ℃；

③ 共晶載體的溫差為2.58 ℃；

④ 載體與紫銅盒體間焊料的溫差為1.16 ℃；

⑤ 紫銅盒體內(nèi)外面之間的溫差為3.61 ℃；

⑥ 盒體表面與散熱冷板之間的高導(dǎo)熱基片溫差為6.0 ℃。

由上述各界面的溫差可計算從芯片的溝道出溫度到散熱冷板的總溫差：

Δt總=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4+Δt5+Δt6=97.17 ℃。

當(dāng)芯片溝道溫度為150 ℃時，傳導(dǎo)到散熱器上的溫度為52.83 ℃。因此，為保證芯片的壽命甚至不被燒壞，對芯片的溝道溫度保護點應(yīng)留有一定的余量，這里設(shè)140 ℃為保護點溫度。當(dāng)芯片溝道溫度為140 ℃時，傳導(dǎo)到散熱器上的溫度為42.83 ℃。也就是末級功放模塊的外殼溫度不得超過該溫度，否則芯片壽命將急劇下降或芯片燒壞。

根據(jù)上述條件，通過合理設(shè)計散熱冷板的結(jié)構(gòu)和冷卻液的流量、壓力等，最終達到安全散熱的目的。

5 整機性能測試

該頻段采用的芯片P1 dB輸出功率為2.5～2.6 W，進行192路芯片功率合成，包含大電流穩(wěn)壓電源、散熱冷板、監(jiān)控與控保等，整機體積為600 mm×550 mm×350 mm。最終連續(xù)波輸出P1 dB功率達到400 W以上，最高達450 W，芯片級合成效率大于80%，且可實現(xiàn)各類功能的控制和保護[11]。經(jīng)48 h滿功率考機，其穩(wěn)定性和可靠性得到進一步驗證。整機主要指標(biāo)參數(shù)比較[12-13]如表1所示。

表1 主要指標(biāo)參數(shù)比較

由表1可知，國內(nèi)目前在固態(tài)毫米波功放研究方面的技術(shù)水平不遜于國外。實測指標(biāo)一欄在工作頻率、輸出功率、合成路數(shù)和合成效率等指標(biāo)方面普遍高于目前已知的同類產(chǎn)品。

6 結(jié)束語

本文介紹了一種毫米波頻段400 W固態(tài)高功放的設(shè)計，通過對192路毫米波芯片的功率合成，采用高密度小型化的末級功放模塊、非二進制的12路功率合成技術(shù)以及高效高功率導(dǎo)熱與散熱技術(shù)，使整機連續(xù)波P1 dB功率達到400 W以上。通過長時間考機驗證了功率穩(wěn)定性和散熱能力等功能指標(biāo)，滿足未來的需求。在未來工作中，將進一步優(yōu)化設(shè)計，尤其在大電流穩(wěn)壓電源和整機的體積方面還有較大的壓縮空間，這將為設(shè)備進一步小型化提供支持。

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李新勝 男，(1981—)，高級工程師。主要研究方向：高功率微波、毫米波技術(shù)、發(fā)射機。

Design of Millimeter-wave 400 W CW Solid State Power Amplifier

LI Xin-sheng

(The27thResearchInstituteofCETC,ZhengzhouHe’nan450047,China)

According to the requirement of measurement and control for deep space TT&C and other spacecraft in the future,a novel and efficient waveguide power combining scheme based on a MMIC with 2×6 structure is proposed.The 38 W power amplifier modules and power combiners are developed based on the three-dimensional electromagnetic field software HFSS modeling and simulation.Through modular design,distributed heat dissipation and structural integration and other technical measures,the millimeter-wave solid state power amplifier designed achieves a high efficiency of 192-way combining.Test results show that,in the bandwidth of 1 GHz,the outputP1dBpower reaches 400 W (CW),the combining efficiency reaches above 80%,the heat dissipation effect is ideal,and the equipment is stable.

Ka-band;continuous wave;solid state power amplifier;combiner;combining efficiency;thermal design

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.01.14

李新勝.毫米波400 W連續(xù)波固態(tài)功放設(shè)計[J].無線電工程,2017,47(1):59-61，70.

2016-10-28

TN73

A

1003-3106(2017)01-0059-03