Ku波段固態(tài)功率模塊的研究

楊 強(qiáng)，袁曉磊

20世紀(jì)80年代以來，伴隨著GaAs、GaN等新材料及HBT、HEMT等半導(dǎo)體新工藝的發(fā)展和完善，微波單片集成電路的性能和制備技術(shù)日趨成熟，相應(yīng)的，發(fā)射機(jī)固態(tài)化及其優(yōu)點(diǎn)逐步獲得工程認(rèn)可，廣泛應(yīng)用于地面、車載、機(jī)載等雷達(dá)領(lǐng)域[1]。為實(shí)現(xiàn)更大的作用距離、更好地抗干擾能力，現(xiàn)代制導(dǎo)、雷達(dá)等微波系統(tǒng)對(duì)發(fā)射機(jī)的功率輸出能力要求越來越高，而鑒于半導(dǎo)體功率器件有限的輸出能力，功率合成技術(shù)獲得了廣泛關(guān)注[2]。為實(shí)現(xiàn)較大的功率輸出量級(jí)，獲得較高的合成效率，需要針對(duì)具體的工程應(yīng)用背景對(duì)合成單元的功率能力、單元間的幅相一致性和結(jié)構(gòu)體積進(jìn)行綜合考慮[3]。

針對(duì)日益受到關(guān)注的Ku頻段，為滿足雷達(dá)和制導(dǎo)工作背景的特定需要，研制設(shè)計(jì)了不同形式的功率模塊，內(nèi)部集成有調(diào)制和電源處理功能，具有適應(yīng)調(diào)制信號(hào)重頻及高占空比連續(xù)可變的優(yōu)點(diǎn)，具備電氣、結(jié)構(gòu)及可靠性等指標(biāo)綜合適應(yīng)性。

1 理論分析

作為合成系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元，功率模塊設(shè)計(jì)伊始，應(yīng)針對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用背景綜合考慮。Ku頻段工程應(yīng)用十分廣泛，不同背景的使用要求也有所區(qū)別，例如彈載發(fā)射機(jī)通常工作帶寬窄、占空比高、體積小、工作時(shí)間短，要求模塊化設(shè)計(jì)圍繞小型化進(jìn)行相應(yīng)的微波和熱設(shè)計(jì)；地面雷達(dá)通常工作帶寬寬、占空比低、工作時(shí)間長(zhǎng)，要求模塊化設(shè)計(jì)以長(zhǎng)期穩(wěn)態(tài)可靠性為重點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

模塊的實(shí)現(xiàn)方式可以是級(jí)聯(lián)高增益，也可以是合成功率子單元，前者降低驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)難度，后者簡(jiǎn)化合成器支路數(shù)；為降低工藝和器件不一致性的影響，綜合高功率系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝實(shí)現(xiàn)，合成子單元形式更有利于改善合成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

功率子單元的實(shí)現(xiàn)可以采用平面合成形式，平面合成器類型可以是功分形式的，例如威爾金森功分器，也可以是耦合形式的，例如蘭格電橋、平衡電橋、環(huán)形電橋等；此外借助三維電磁場(chǎng)仿真軟件，微帶魔T形式的功分電路形式也獲得了實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用?；诩尚浴⒀b配便易性及成本考慮，平面合成器通常采用介質(zhì)基板制備，而芯片化合成器能進(jìn)一步提高模塊空間利用率。近年來，波導(dǎo)基的空間合成技術(shù)受到廣泛關(guān)注，該技術(shù)的關(guān)鍵之處在于采用基于天線原理的探針或模式轉(zhuǎn)換原理的鰭線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)與平面帶線間能量傳輸?shù)牡蛽p過渡?？臻g合成效率高，特別適用于高頻能量傳輸，但機(jī)加工要求較高，結(jié)構(gòu)、散熱及密封性等性能較之平面合成實(shí)現(xiàn)方式有所欠缺。

2 設(shè)計(jì)及性能測(cè)試

綜合以上分析，結(jié)合平面合成和空間合成技術(shù)各自的特點(diǎn)，針對(duì)不同應(yīng)用背景設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了三種形式的功率模塊，采用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所設(shè)計(jì)的功率放大器芯片制備，形式與特性分別介紹如下。

模塊一：模塊的合成器采用威爾金森功分器形式，模塊的接口形式為波導(dǎo)BJ180，采用微帶探針方式實(shí)現(xiàn)平面化過渡，工作帶寬可覆蓋波導(dǎo)帶寬。在三維仿真CAD軟件HFSS中建模并進(jìn)行相應(yīng)的仿真，微帶探針的模型及仿真曲線如圖1所示，在關(guān)注的Ku頻段內(nèi)，無源插入損耗≤0.2dB，具有良好的匹配特性。

基于該種形式，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種功率模塊，在Ku頻段1GHz頻率帶寬范圍內(nèi)，輸出峰值功率≥43dBm，模塊效率≥24%。該種形式的功率模塊可同平面集成微波和調(diào)制電路，由于模塊厚度僅受限于波導(dǎo)短路面的深度尺寸，其余部分均為平面電路結(jié)構(gòu)，因而模塊的厚度最小，可實(shí)現(xiàn)最小厚度尺寸僅為8mm。

圖1 微帶探針的模型及仿真曲線

模塊二：采用微帶魔T功分器形式設(shè)計(jì)合成器。在微波仿真軟件中進(jìn)行三維建模和仿真，微帶魔T的合成結(jié)構(gòu)模型及仿真情況如圖2所示。根據(jù)仿真結(jié)果，合成結(jié)構(gòu)的背對(duì)背插入損耗低于0.1dB.由于采用的是魔T原理，因此支路間的隔離效果可達(dá)25dB以上，隔離端達(dá)35dB以上，具有較好的匹配特性。電路的相對(duì)帶寬約達(dá)18%。

基于該種形式設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種功率模塊，接口形式為波導(dǎo)BJ180，采用微帶探針方式實(shí)現(xiàn)平面化過渡。在Ku頻段1GHz頻率帶寬范圍內(nèi)，輸出峰值功率≥43dBm，模塊效率≥24%。具有良好的耐功率特性，適用于高占空比工作模式。由于合成部分也是平面化安裝的，只是微帶魔T的隔離端部分需要在背面局部開槽防止短路，因而該種形式的功率模塊最小可實(shí)現(xiàn)厚度約10mm。

圖2 微帶魔T合成結(jié)構(gòu)模型及仿真結(jié)果

模塊三：合成器采用波導(dǎo)雙探針形式，接口形式為波導(dǎo)BJ180，相對(duì)工作帶寬約25%。在三維仿真CAD軟件HFSS中建模并進(jìn)行相應(yīng)的仿真，合成結(jié)構(gòu)具有良好的損耗特性，仿真結(jié)果顯示，背對(duì)背理論損耗低于0.2dB。端口回波損耗優(yōu)于15dB，結(jié)構(gòu)模型及仿真情況如圖3所示。

依據(jù)模型進(jìn)行實(shí)際電路設(shè)計(jì)，實(shí)測(cè)背對(duì)背損耗低于0.4dB，在Ku頻段1GHz頻率帶寬范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)的有源功率模塊，輸出峰值功率≥43.5dBm，模塊效率≥27%，具有比較理想的合成效果。

圖3 波導(dǎo)雙探針模型及仿真結(jié)果

上述功率模塊均具有良好的功率擴(kuò)展能力，由于模塊內(nèi)部已集成調(diào)制和電源處理電路，非常便于進(jìn)一步合成實(shí)現(xiàn)更高功率規(guī)格的功率單元或發(fā)射機(jī)。設(shè)計(jì)了一款由4個(gè)模塊拼合實(shí)現(xiàn)的80W功率單元，6kHz重頻條件下，實(shí)測(cè)頂降≤5%，上升沿時(shí)間≤5ns，下降沿時(shí)間≤7ns，具有良好的脈沖調(diào)制響應(yīng)特性。

3 結(jié)論

針對(duì)Ku頻段典型的應(yīng)用背景及其特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并制備了3種不同合成形式的固態(tài)功率模塊，在較寬的工作頻帶內(nèi)獲得了高功率輸出能力。所設(shè)計(jì)的模塊均具有電路體積小、合成和功率效率高、調(diào)制性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的功率擴(kuò)展能力?？紤]到所實(shí)現(xiàn)的功率模塊具備易于裝配及測(cè)試、一致性好等優(yōu)點(diǎn)，非常適于批量生產(chǎn)。模塊工作在Ku典型頻段，具有明確的項(xiàng)目背景和良好的工程應(yīng)用前景。