基于波導(dǎo)合成高效寬帶Ka波段連續(xù)波發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

樊錫元

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所安徽省天線與微波工程實(shí)驗(yàn)室，合肥230088）

0 引 言

高功率放大器是微波／毫米波無(wú)線電子系統(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，以及使用壽命長(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。但是，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、分支線電橋、Lange橋等功分／合成網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用廣泛。但是，平面?zhèn)鬏斁€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輸出，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Ka波段寬帶連續(xù)波發(fā)射機(jī)電訊、結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計(jì)方案，在Ka波段實(shí)現(xiàn)90 W以上的連續(xù)波功率輸出，工作帶寬達(dá)到6 GHz，結(jié)構(gòu)空間尺寸僅為208 mm×175 mm×175 mm，為國(guó)內(nèi)Ka頻段雷達(dá)、SAR、電子對(duì)抗及通訊設(shè)備提供強(qiáng)有力技術(shù)支撐。

1 發(fā)射機(jī)整體方案

Ka發(fā)射機(jī)指標(biāo)要求如下：

·工作頻率：Ka波段

·工作帶寬：6 GHz

· 輸出功率：90 W（CW）

·輸入功率：10 mW

·效 率：10%

·工作電源：DC16 V

發(fā)射機(jī)射頻有源電路采用Ka波段高功率輸出的GaN功率芯片，工作電壓為16 V，輸出功率大于7 W，效率大于20%。

方案本著盡量簡(jiǎn)化電路形式的思想，考慮到電路間的兼容性及設(shè)計(jì)、生產(chǎn)成本，合理劃分模塊、組件、外圍電路。功率合成方案基于波導(dǎo)合成，電路分兩級(jí)：首先采用4個(gè)7 W功率芯片的功率單元合成組成1個(gè)25 W功率模塊，合成方式 BB320／BJ320波導(dǎo)ET及BJ320波導(dǎo)ET電路；第2級(jí)采用4個(gè)25 W功率模塊合成組成1個(gè)90 W功率發(fā)射機(jī)，合成方式BJ320波導(dǎo)HT結(jié)構(gòu)。射頻放大鏈功率合成原理框圖如圖1所示。

圖1 射頻放大鏈功率合成原理框圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 功率單元設(shè)計(jì)

功率單元是發(fā)射機(jī)的核心部件，也是基礎(chǔ)單元。核心器件是國(guó)產(chǎn)7W?GaN功率芯片，其工作頻率范圍為Ka波段（6 GHz帶寬），工作電壓16 V，功率附加效率20%。圖2為7 W功率單片功能框圖。

性能指標(biāo)：

·頻率范圍：Ka波段（6 GHz帶寬）

·功率增益：13 dB

·飽和輸出功率：8 W（連續(xù)波）

·工作電壓：16 V

· 效率：20%

· 外形尺寸：4.67 mm×4.42 mm×0.1 mm

圖2 7 W功率單片功能框圖

功率單元功率芯片電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于通過(guò)微帶傳輸模式將射頻輸入功率導(dǎo)入，通過(guò)玻珠將直流電源饋入，而芯片功率放大后通過(guò)微帶傳輸模式將射頻放大功率導(dǎo)出。在毫米波Ka波段，工作波長(zhǎng)僅僅8 mm左右。微帶的半開(kāi)放場(chǎng)輻射在不合適的腔場(chǎng)環(huán)境引入自激，導(dǎo)致放大電路性能惡化直至失效。功率單片模塊電路對(duì)腔體的高度和開(kāi)腔寬度有嚴(yán)格的限制，同時(shí)蓋板也需要粘貼吸波材料。設(shè)計(jì)的腔體本振模場(chǎng)云圖仿真如圖3所示。腔體本征模數(shù)值輸出如圖4所示。

圖3 功率單片模塊腔體本征模場(chǎng)云圖

圖4 7 W模塊腔體本征模數(shù)值輸出

設(shè)計(jì)結(jié)果保證沒(méi)有出現(xiàn)高Q的自激模式，保證了7 W功率單片電路性能實(shí)現(xiàn)。電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 7 W末級(jí)模塊電路

2.2 微帶／波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

在Ka波段，波導(dǎo)合成具有插損小、合成效率高的優(yōu)點(diǎn)。組件采用波導(dǎo)微帶探針實(shí)現(xiàn)微帶／波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換。

設(shè)計(jì)采用E面波導(dǎo)-微帶探針過(guò)渡，微帶探針?lè)ň€方向與波導(dǎo)內(nèi)波的傳輸方向垂直。探針?lè)抡婺Ｐ腿鐖D 6（a）所示，圖 6（b）為與 E?T 結(jié)合后模型。

圖6 波導(dǎo)?微帶探針?lè)抡婺Ｐ?/p>

基片沿波導(dǎo)寬邊中心垂直伸入波導(dǎo)，探針?biāo)诘钠矫媾c波導(dǎo)橫截面相垂直。伸入波導(dǎo)部分微帶底面金屬被腐蝕掉，正面金屬由兩段高低阻抗線構(gòu)成。低阻抗線相當(dāng)于電容，高阻抗線相當(dāng)于電感。它們之間形成一個(gè)諧振回路，將波導(dǎo)場(chǎng)耦合到平面微帶電路。標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)終端短路面距離探針中心為λ／4，以便使得微帶線中心為波導(dǎo)場(chǎng)最強(qiáng)處，從而更有利于波導(dǎo)到微帶的能量轉(zhuǎn)換。波導(dǎo)金屬壁上的開(kāi)槽不能太大，要使得波導(dǎo)場(chǎng)不至于耦合到微帶腔體，產(chǎn)生諧振。調(diào)整探針尺寸、短路面到探針中心距離以及高低阻抗線，最終仿真結(jié)果圖7所示。

圖7 微帶探針?lè)抡娼Y(jié)果

矩形波導(dǎo)為6.4 mm×1.65 mm 的非標(biāo)波導(dǎo)，微帶探針采用 Duriod5880介質(zhì)基片，介電常數(shù)2.2，厚度0.254 mm，對(duì)應(yīng) 50 Ω 微帶線寬 0.77 mm。 由仿真結(jié)果可得，在 32～38 GHz工作頻帶內(nèi)，駐波小于 1.05，插入損耗小于0.05 dB，滿足使用要求。

2.3 25 W功放組件功率合成設(shè)計(jì)

25 W功放應(yīng)用4個(gè)7 W模塊合成得到。在Ka波段，常用的波導(dǎo)功分器有魔T、T型結(jié)、分支波導(dǎo)耦合器等，其優(yōu)缺點(diǎn)分別如下：

（a）魔T：隔離度高，但體積大無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求；

（b）T型結(jié)：體積小、易加工，但隔離度較差；

（c）分支波導(dǎo)：隔離度高，但在Ka波段部分膜片較薄，難以加工，長(zhǎng)度尺寸較大。

文獻(xiàn)［5］闡述了一種改進(jìn)型H面波導(dǎo)電橋，其原理圖、實(shí)物模型如圖8所示。它的優(yōu)點(diǎn)是：波導(dǎo)立體合成，體積非常緊湊，隔離度高，適合超小型空間功率合成；缺點(diǎn)是：H面電橋工作帶寬較窄，用于Ka波段（6 GHz帶寬）工作，邊帶駐波和插損不理想。同時(shí)在本項(xiàng)目中，由于存在連續(xù)波工作狀態(tài)，單片熱耗達(dá)到31 W，熱流密度接近150 W／cm2，而H面波導(dǎo)橋功率芯片安裝于模塊上下兩片，且芯片散熱面較小，導(dǎo)致散熱條件很差不適于連續(xù)波工作情況。

圖8 H面波導(dǎo)3 dB橋原理圖和實(shí)物模型

綜合考慮，組件波導(dǎo)合成采用2級(jí)ET合成，保證6 GHz寬帶工作的合成特性，同時(shí)平面結(jié)構(gòu)合成有利熱量快速傳遞。第1級(jí)ET合成結(jié)合波導(dǎo)微帶探針，采用BJ320半波導(dǎo)ET合成，第2級(jí)采用BJ320全波導(dǎo)合成。微帶探針+波導(dǎo)4合1ET仿真模型及指標(biāo)如圖9～12所示。

圖9 波導(dǎo)4合1+波導(dǎo)微帶探針模型

從仿真結(jié)果分析，波導(dǎo)4合1+波導(dǎo)微帶探針模式在32～38 GHz工作頻帶內(nèi)總口駐波小于-25 dB，分口分配比在6 dB±0.25 dB以內(nèi)，滿足使用要求。25 W功放組件示意圖如圖13所示。

圖10 總口駐波仿真結(jié)果

圖11 分口分配比仿真結(jié)果

圖12 分配合成總成插入損耗

圖13 功放組件示意圖

特性指標(biāo)如下：

工作頻率：Ka波段（帶寬6 GHz）

工作形式：1 μs～CW

輸入功率：≥2 W

輸出功率：≥25 W

外形尺寸：140 mm×110 mm×28 mm

2.4 功放合成鏈路隔離設(shè)計(jì)

多功率單元并聯(lián)、級(jí)聯(lián)合成時(shí)，由于有源電路負(fù)載牽引效應(yīng)，前后級(jí)、并聯(lián)支路存在一定的負(fù)載牽引，影響功放鏈路工作狀態(tài)和穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)中，由于考慮到工作帶寬及連續(xù)波散熱，在25 W組件采用無(wú)隔離的ET波導(dǎo)合成。在功放鏈路折衷考慮，在組件、分機(jī)系統(tǒng)級(jí)間加入彎波導(dǎo)隔離器，保證鏈路中前后級(jí)、組件間的端口隔離。彎波導(dǎo)隔離器示意圖如圖14所示。

圖14 彎波導(dǎo)隔離器示意圖

2.5 系統(tǒng)4合1寬帶波導(dǎo)合成器設(shè)計(jì)

波導(dǎo)功分（功合）器用于功率合成，具有插損小、合成效率高的優(yōu)點(diǎn)［6-7］。

4合1波導(dǎo)合成是固態(tài)發(fā)射機(jī)核心部件。它將4個(gè)25 W組件輸出功率通過(guò)波導(dǎo)高效合成（效率可到90%），是Ka波段發(fā)射機(jī)高功率合成的關(guān)鍵。由于組件內(nèi)合成采用波導(dǎo)ET結(jié)構(gòu)，則組件垂直方向疊加裝配，合成優(yōu)化為波導(dǎo)HT結(jié)構(gòu)。發(fā)射機(jī)獲得緊湊的整體結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)HT4合1仿真結(jié)果如圖15～17所示。

圖15 波導(dǎo)HT4合1仿真模型

從仿真結(jié)果可以看出，波導(dǎo)HT?4合1分配合成在6 GHz工作帶寬，滿足整機(jī)使用要求。

2.6 發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)還包括1個(gè)前級(jí)驅(qū)動(dòng)組件、4個(gè)25 W組件、波導(dǎo)分配器、波導(dǎo)合成器等部件。對(duì)立體空間合理安排，形成緊湊高集成度布局，示意圖如圖18所示。

發(fā)射機(jī)熱耗主要在25 W組件，由于熱流密度很大，采用水冷模式散熱。熱耗模型如圖19，熱源為功率芯片：熱耗為31 W。熱結(jié)構(gòu)安裝：先與0.2 mm的金剛石銅載體共晶焊接，再與水道焊接。每個(gè)組件有4個(gè)功率芯片，總散熱量為124 W。

圖16 波導(dǎo)HT?4合1總口駐波

圖17 波導(dǎo)HT?4合1端口分配比

圖18 發(fā)射機(jī)布局（208 mm×175 mm×175 mm）

圖19 發(fā)射組件熱耗模型

熱設(shè)計(jì)邊界條件：工作溫度：-40～+55℃，功率芯片法蘭溫度≤96℃。功率芯片對(duì)應(yīng)的水道下面設(shè)置翅片，冷板采用上下板對(duì)插焊接的方式成型。翅片厚0.8 mm，對(duì)插后流道間隙0.8 mm。當(dāng)入水溫度為40℃、流量為0.48 L／min時(shí)，熱仿真結(jié)果如圖20所示。從圖中看出，最高溫度低于90℃，滿足整機(jī)使用要求。

圖20 發(fā)射組件熱仿真結(jié)果

3 測(cè)試結(jié)果及分析

發(fā)射機(jī)測(cè)試條件：連續(xù)波工作，漏極電壓脈沖幅度為16 V。表1為發(fā)射機(jī)常溫工作1 h后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于波導(dǎo)合成高效高集成度Ka波段發(fā)射機(jī)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，該發(fā)射機(jī)功率分配／合成方式具有高的功率合成效率，結(jié)構(gòu)緊湊，具有高集成度。微波功率組件緊貼水冷金屬殼體地板安裝，可以有效進(jìn)行傳導(dǎo)散熱。發(fā)射機(jī)在Ka波段實(shí)現(xiàn)90 W高功率輸出，總合成效率達(dá)到80%，功率附加效率達(dá)到18%，整體指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。該發(fā)射機(jī)的研制成功在毫米波雷達(dá)、通訊及SAR領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。