一種大功率連續(xù)波組件的研制

張永慧,沈 紅,汪邦金

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引 言

本功率組件是超導(dǎo)直線加速器重要組成單元，為強流質(zhì)子束流提供功率能量，其性能關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性。加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)所需的功率設(shè)備要在相對惡劣的電磁環(huán)境條件下運行，需要以安全、穩(wěn)定、高可靠等為特點進行研制工作。

1 功率組件架構(gòu)

功率組件需要完成P波段(f±2 MHz)連續(xù)波1 kW 的功率放大。功率模塊為固態(tài)功率放大，能夠抗全反射。

根據(jù)系統(tǒng)要求，本功率組件屬于高增益、大功率放大組件，為了能夠穩(wěn)定、可靠的工作，合理的選擇功率器材、指標(biāo)分配、合成形式及器件散熱是研制重點[1]。根據(jù)需求特點，綜合輸出功率、效率和器件的成熟度等各方面的因素，而且從成本因素考慮，利用LDMOS功率管實現(xiàn)微波功率放大器是滿足設(shè)計要求的較好選擇。在本頻段LDMOS功率管具有高增益、高效、連續(xù)波工作等特點[2]，其高效特性降低了組件的熱設(shè)計難度，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

功率組件采用兩級放大架構(gòu)，第一級驅(qū)動級、第二級末級兩路合成的方式實現(xiàn)[3]。20 dBm的激勵功率從功放組件輸入端口輸入，通過移相與衰減、驅(qū)動級放大后，經(jīng)功分器分成2路5 W驅(qū)動功率信號，各推動一個600 W的功率管，經(jīng)大功率隔離器、合成器合成不小于1 kW的輸出功率。功率組件的移相與衰減調(diào)整電路，可以保證組件的幅度、相位一致性。散熱形式采用液冷冷卻方式，各個功能單元的熱設(shè)計是保證組件可靠工作的必要手段。

組成框圖如圖1所示。

圖1 功率組件框圖

功率組件的主要組成：移相與衰減、 1個驅(qū)動模塊、1分2功率分配器、2個功放模塊、2個隔離器， 2合1功率合成器、1個組件監(jiān)控組成。組件監(jiān)控完成采集、傳輸功率模塊工作狀態(tài)及溫度，對故障單元實施保護，電源故障、開/關(guān)機、串口并口轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)上傳、以及保護等功能。

2 功率組件設(shè)計

2.1 功放模塊設(shè)計

功率組件的設(shè)計，最為關(guān)鍵的是功率管的選擇。在P頻段，LDMOS器件發(fā)展較為成熟。

表1 主要功率管資料

一般而言，從成本、體積等方面的因素考慮，用于組件合成的功率管應(yīng)盡量選用頻段內(nèi)單管輸出功率較大的功率管。但是本設(shè)計主要工作于大功率連續(xù)波條件下，最惡劣的工作條件為全反射狀態(tài)。單管連續(xù)波功率量級達到千瓦以上時，高熱密度帶來熱設(shè)計困難度大大增加，在全反射時隔離器大功率負(fù)載工作于高負(fù)荷，熱設(shè)計的成本大幅提高，可靠性降低。從熱設(shè)計及器材的可靠性角度考慮，本設(shè)計優(yōu)選兩路600 W功率模塊合成的方式，實現(xiàn)1 kW的功率輸出，可靠性得以保證。

功率模塊的LDMOS功率管采用雙管推挽放大的模式。推挽形式的功率管的端口是雙輸入和雙輸出的形式。

圖2 功率管

信號為單端口輸入，設(shè)計功放時需要把單端非平衡輸入信號轉(zhuǎn)換為功率管輸入端口所需的兩個平衡輸入信號，同時將功率管輸出端的兩個平衡輸出信號合成到一個非平衡的輸出信號。平衡-非平衡轉(zhuǎn)換(即巴倫)是由一段同軸電纜構(gòu)成，其完成由單端傳輸變換為差分傳輸?shù)墓δ堋?/p>

由于LDMOS器件內(nèi)部采用多胞并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，其輸出阻抗較低，通過阻抗變化實現(xiàn)阻抗的提高。阻抗匹配的作用就是對功率電路進行阻抗變換，將給定的阻抗值進行阻抗變換，達到器件和外電路的共匹配實現(xiàn)功率電路的最大功率傳輸。設(shè)計阻抗匹配電路的過程實際上是要匹配的器件的端口阻抗逐級匹配到功放輸出端50歐姆的特性阻抗上。通過調(diào)整匹配電容和電感，優(yōu)化阻抗匹配設(shè)計，使功率模塊的性能達到最佳狀態(tài)。

推挽結(jié)構(gòu)中，輸入和輸出巴倫采用長度小于 1/8λ、阻抗為25Ω的電纜，用于實現(xiàn)平衡與不平衡的轉(zhuǎn)換。

從器材可靠性及散熱方面考慮，降低工作電壓[5]與選擇合適系統(tǒng)要求的靜態(tài)工作點，微調(diào)匹配電路。通過采取降額手段，提高可靠性和降低散熱難度，效率略有降低。最終功率模塊輸出大于600 W，效率大于63%。

設(shè)計的功率模塊如圖3。

圖3 功率模塊

通過銅底板增大功率管的散熱面面積，增強熱擴散的能力。通過降低微帶板厚度、密集接地孔，微帶板與底板焊接等辦法，降低了匹配電路的溫度。輸出匹配電路優(yōu)選云母電容易于散熱以及增強耐功率和耐壓，提高電路的可靠性。

功率模塊的柵極穩(wěn)壓調(diào)制電路，其一功能是柵極電源穩(wěn)壓，避免柵極波動會引起功率波動；其二功能是柵極電壓調(diào)制，提高脈沖工作時的效率，且在異常狀態(tài)時關(guān)斷功率模塊的柵壓。穩(wěn)壓管的底面需增加覆銅焊盤面積，達到降低穩(wěn)壓管溫度的目的。

圖4 柵極穩(wěn)壓調(diào)制

2.2 驅(qū)動模塊

根據(jù)功率組件的功率分配，驅(qū)動模塊輸入功率為小于18 dBm，輸出功率為大于15 W，增益大于24 dB。輸出功率大于20 W，漏極效率大于達到60%。

圖5 驅(qū)動模塊

2.3 分配器

一分二功率分配器采用威爾金森分配器，以微帶形式實現(xiàn)。ADS的仿真模型[4]如圖6所示。

圖6 分配器仿真

仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 分配器仿真結(jié)果

圖8 分配器版圖

分配器插損優(yōu)于-0.1 dB，端口隔離優(yōu)于-20 dB。

2.4 合成器

二合一功率合成器采用空氣板線結(jié)構(gòu)形式，能夠耐大功率合成，合成器的輸入為穿墻絕緣子，輸出為盲插連接器。

圖9 功率合成器仿真

合成器通過功率為1000 W，插入損耗≤0.2 dB，輸出端口駐波≤1.2，端口幅度一致性≤±0.2 dB，端口相位一致性≤±2°，滿足設(shè)計要求。

2.5 隔離器

為了組件滿足可以承受全反射的系統(tǒng)要求，在功率模塊的輸出端設(shè)置隔離器，隔離器。

隔離器通過連續(xù)波功率為600 W，插入損耗≤0.2 dB隔離度≥20 dB，全反射態(tài)時負(fù)載電阻耐連續(xù)波功率600 W。

2.6 組件監(jiān)控

組件監(jiān)控檢測組件內(nèi)部主要功能單元的狀態(tài)、故障保護以及對外通訊。監(jiān)控通過溫度傳感器、電流傳感器、電壓采樣、功率采樣檢測組件工作狀態(tài)，根據(jù)工作狀態(tài)完成開關(guān)機、保護、報出故障、串口數(shù)據(jù)上傳等功能。

2.7 組件結(jié)構(gòu)與熱設(shè)計

對于大功率、連續(xù)波組件，完善的熱設(shè)計是組件可靠運行的重要保證。功率組件主要發(fā)熱器件為功率管，最大熱耗約為215 W，其熱流密度較大約為65 W/cm2。在全反射模式下除了功率管的熱耗外，還有單路500 W的反射功率散熱于隔離器器負(fù)載，其熱流密度較大約為75 W/cm2。

為了滿足連續(xù)波大功率工作狀態(tài)，經(jīng)仿真優(yōu)化設(shè)計經(jīng)方案比較后，大面積銅底板易于快速熱擴散[6]，也易于維修維護。熱密度高的功率管以及負(fù)荷全反射的高功率隔離器負(fù)載先焊接在銅底板上，然后底板固定于冷板上。底板與冷板之間通過導(dǎo)熱硅脂降低接觸熱阻。

圖10 發(fā)熱器件溫度分布

功率管最高溫度約為64 ℃。隔離器負(fù)載全反射工作時溫度約為93 ℃。通過電訊設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計，解決了熱耗大的難題，達到設(shè)計要求。

3 組件實物與測試

經(jīng)過一系列設(shè)計，完成的高功率、高效率、高可靠功率組件的研制。

圖11 功率組件

搭建測試系統(tǒng)，完成組件測試。

圖12 組件輸出功率

圖13 組件效率

功率組件的輸出功率大于1 kW，效率大于60%，達到預(yù)期指標(biāo)。

4 結(jié) 語

本文對功率組件中各單元技術(shù)實現(xiàn)進行了充分的分析，對影響組件關(guān)鍵指標(biāo)的功能單元進行了論述，解決了大功率連續(xù)波條件下功率組件設(shè)計與可靠性等問題，對后續(xù)相關(guān)工程設(shè)計具有很好的參考價值。

[1] 鄭新,李文輝,潘厚忠,等.雷達發(fā)射機技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2] 胡明春等. 雷達微波新技術(shù). 北京：電子工業(yè)出版社，2013，8.

[3] 汪邦金等. 微波固態(tài)功率組件相位一致性分析.雷達科學(xué)與技術(shù),2008,(1):77-80.

[4] 徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計與仿真實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[5] 梁曉芳.LDMOS在相控陣?yán)走_中的可靠應(yīng)用研究[D].現(xiàn)代雷達，2012,12.

[6] 任恒等. 固態(tài)發(fā)射機末級組件熱設(shè)計,制冷與空調(diào)[J]. 2016,16(3):17-20.