Ku波段120 W小型化功放模塊的研制

黃薛龍，張 俊，周二風(fēng)

(1.安徽華東光電技術(shù)研究所有限公司，安徽 蕪湖 241002；2.蕪湖市大數(shù)據(jù)與人工智能工程技術(shù)研究中心，安徽 蕪湖 241000；3.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241003)

0 引言

隨著軍用雷達(dá)技術(shù)和衛(wèi)星通信的發(fā)展，軍用雷達(dá)技術(shù)和衛(wèi)星通信技術(shù)對(duì)功率放大器小型化、大功率、寬頻帶、高效率等性能的要求越來越高[1]。功率放大器作為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組件，其非線性特性是影響系統(tǒng)線性度的重要因素，為了使固態(tài)功率放大器輸出大功率的同時(shí)，保持良好的線性度，往往需要采用預(yù)失真技術(shù)[2]。功率分配器和功率合成器是互易的一對(duì)部件，電路原理和外形結(jié)構(gòu)完全一樣，下面統(tǒng)稱合成器。功率合成的方式有很多種，從物理結(jié)構(gòu)上，可分為微帶合成電路與波導(dǎo)合成電路；從原理上，又可分為傳統(tǒng)二進(jìn)制合成以及多路直接空間合成。在實(shí)際應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)功放模塊小型化及大功率合成，多選用波導(dǎo)合成技術(shù)，例如，ET、魔T等二進(jìn)制合成方式；如果對(duì)功放模塊功率合成效率要求更高(通常高于90%以上)，直接采用多路空間直接合成的方式[3]。相較于砷化鎵芯片，氮化鎵芯片快速發(fā)展，氮化鎵芯片具有高運(yùn)行電壓、高功率附加效率、單管高功率輸出等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于小型化、大功率、低功耗的固態(tài)功率放大器應(yīng)用領(lǐng)域[4]。因此，基于氮化鎵功率放大器研制，使用功率合成模塊與電源模塊共用散熱器，可以有效減小整機(jī)體積及重量[5]。

針對(duì)目前市場上固態(tài)功率放大器體積大、成本高等問題，本文使用中電科十三所30 W的GaN功放芯片，采用單面散熱方式，進(jìn)行6路波導(dǎo)合成，成功研制120 W末級(jí)功放模塊，體現(xiàn)Ku波段120 W功放模塊體積小、功率大、成本低、易攜帶的優(yōu)點(diǎn)。

1 功率合成分析

功率合成技術(shù)研究的是通過組合若干個(gè)相干工作單元，或者通過疊加多個(gè)分離電路功率的方法，以獲得更大的輸出功率。如圖1所示，輸入功率通過功率分配器均勻地分配到各個(gè)功放模塊，經(jīng)過放大后的射頻信號(hào)再由功率合成器合成后得到較大的輸出功率[6]。

圖1 功率合成圖

空間功率合成技術(shù)把若干具有相同相位關(guān)系的功放模塊在空間內(nèi)進(jìn)行矢量疊加，獲得更高的輸出功率，該輸出功率高于輸入功率，提高的數(shù)值取決于功放模塊的放大性能和功率合成的效率[7]。下面對(duì)功率合成網(wǎng)絡(luò)輸出功率及合成效率進(jìn)行詳細(xì)分析。

在圖1中，將功放模塊PA1的輸出功率大小記為p1，相位記為φ1；將功放模塊PAn的輸出功率大小記為pn，相位記為φn，幅度和相位都存在差異的2N個(gè)矢量信號(hào)進(jìn)行功率合成的總功率P。

(1)

本文以兩路功率合成為例，2N=2，合成信號(hào)的總功率為

(2)

合成效率為

(3)

可見，功放模塊幅度一致性和相位一致性對(duì)空間功率合成技術(shù)極為重要，因此在功率合成之前需保證每路功放模塊功率、增益及相位指標(biāo)相近，才能進(jìn)行功率合成[8]。

2 功放模塊

2.1 功放整體模塊

功放模塊整體設(shè)計(jì)如圖2所示，包括射頻前級(jí)模塊、末級(jí)功放模塊、檢波模塊、電源監(jiān)控模塊。整個(gè)系統(tǒng)由微波放大電路、電源處理電路、控制保護(hù)電路幾部分組成。

圖2 功放模塊設(shè)計(jì)框圖

2.2 射頻前級(jí)模塊

射頻前級(jí)模塊主要對(duì)整個(gè)功放模塊的輸入信號(hào)進(jìn)行第一級(jí)放大，為末級(jí)功率放大器提供足夠的激勵(lì)信號(hào)。射頻前級(jí)模塊設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，射頻前級(jí)模塊中引入了模擬衰減器和數(shù)控衰減器，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)增益的調(diào)節(jié)。帶通濾波器的加入，抑制了整機(jī)帶外雜散。射頻前級(jí)模塊輸入端使用微帶耦合出一路檢波信號(hào)，經(jīng)檢波器至運(yùn)放差分放大處理后輸入至電源監(jiān)控模塊，實(shí)現(xiàn)整機(jī)過激勵(lì)保護(hù)功能。

圖3 射頻前級(jí)模塊設(shè)計(jì)框圖

2.3 末級(jí)功放模塊

使用HFSS軟件對(duì)末級(jí)功放模塊進(jìn)行建模，波導(dǎo)功率合成基于波導(dǎo)E-T結(jié)形式功率分配-合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功率合成放大器[9]，使用單面散熱方式，軟件仿真建模如圖4所示，其中，6路功放模塊使用中電科十三所30 W氮化鎵GaN功放芯片，每個(gè)芯片輸出功率約為30～33 W，每個(gè)芯片的功耗約為100 W，其熱耗約80 W，合成功率約120～131 W。

圖4 末級(jí)功放模塊仿真建模

對(duì)末級(jí)功放模塊進(jìn)行仿真，該末級(jí)功放合成器在13.50～15.35 GHz頻率范圍內(nèi)插入損耗S21小于 0.2 dB，回波損耗S11小于-17 dB，具有良好的幅度和相位一致性，該功率合成器有效解決了傳統(tǒng)固態(tài)功放體積小和大功率不能共存的問題。

2.4 電源監(jiān)控模塊

電源監(jiān)控模塊主要包括MCU微處理器及外圍控制、二次電源組及控制，如圖5所示。

+28 V直流電通過直流電源濾波器輸入，再通過DC-DC和LDO模塊完成+28 V直流電到8 V、5 V、3.3 V、-5 V電壓轉(zhuǎn)換，進(jìn)入整機(jī)各個(gè)模塊維持工作。

MCU微處理器及外圍控制實(shí)時(shí)反饋放大器各部件的工作狀態(tài)，提供友好的人機(jī)交互界面，例如，功放整機(jī)過溫、過壓、過流、過激勵(lì)、過反射、實(shí)時(shí)輸出功率、實(shí)時(shí)電流等，且能通過上位機(jī)軟件和雙色LED指示燈顯示方式輸出，有助于生產(chǎn)調(diào)試以及客戶的應(yīng)用。

圖5 電源監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)框圖

在設(shè)計(jì)該模塊時(shí)，通過優(yōu)化PCB布線縮小模塊體積，選取合適的DC-DC和LDO實(shí)現(xiàn)低紋波和較高的電源轉(zhuǎn)換效率。由于本模塊在整機(jī)工作中是核心器件，要通過長時(shí)間多次的實(shí)驗(yàn)，提高穩(wěn)定性和可靠性，才能應(yīng)用于整機(jī)裝配。

2.5 檢波模塊

如圖2所示，檢波模塊由檢波器和運(yùn)放電路組成，末級(jí)功放隔離濾波組件上正反向耦合輸出SMA接口接入至檢波模塊，耦合度約40 dB；檢波器輸出：一路參考電壓Vref，另一路正斜率檢波電壓Vdet，將參考電壓Vref和檢波電壓Vdet進(jìn)行差值運(yùn)算，輸入至電源監(jiān)控模塊，實(shí)現(xiàn)檢波和過反射保護(hù)功能。檢波模塊檢波動(dòng)態(tài)范圍是-15～+15 dBm， 帶內(nèi)頻率響應(yīng)1 dB以內(nèi)，并具有溫度補(bǔ)償功能。

3 功放模塊熱設(shè)計(jì)

功放模塊熱源主要由射頻前級(jí)模塊和末級(jí)功放模塊產(chǎn)生，針對(duì)該問題，本文采用單面散熱與整機(jī)底面殼體通過導(dǎo)熱硅脂接觸，安裝在散熱臺(tái)上，使用外部主動(dòng)風(fēng)冷散熱系統(tǒng)散熱，將熱量帶走，實(shí)現(xiàn)整機(jī)正常工作。

在環(huán)境為25℃溫度下，Ku波段120 W模塊熱仿真如圖6所示。從仿真結(jié)果可以看出，外殼最高溫度約為63.96℃，溫升最高為38℃。芯片管殼溫度最高為76.7℃，根據(jù)芯片熱阻計(jì)算遠(yuǎn)小于芯片最高工作溝道溫度，功放模塊散熱設(shè)計(jì)效果較好[10]。

圖6 Ku波段120 W功放模塊熱仿真界面

4 功放模塊實(shí)物

本文研制的功放模塊實(shí)物如圖7所示，尺寸為：80 mm×160 mm×44 mm，功放模塊實(shí)物重量約為3.98 kg，實(shí)現(xiàn)了大功率、小型化、輕量化的效果。

圖7 Ku波段120 W小型化功放實(shí)物圖

5 功放模塊技術(shù)指標(biāo)

為了驗(yàn)證本文研制的Ku波段120 W小型化功放模塊性能，將本文研制的功放模塊與新型四路功率分配結(jié)構(gòu)[5]主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，本文研制的功放模塊指標(biāo)1和新型四路功率分配結(jié)構(gòu)[5]指標(biāo)2的比較結(jié)果如表1所示。

表1 兩種功放模塊主要技術(shù)指標(biāo)

在表1中，經(jīng)實(shí)際測試，本文功放模塊輸出工作頻率為13.50～15.35 GHz，新型四路功率分配結(jié)構(gòu)輸出工作頻率為13.75～14.50 GHz；本文功放模塊重量為3.98 kg，新型四路功率分配重量為7.5 kg；本文功放模塊尺寸為80 mm×160 mm×44 mm，新型四路功率分配尺寸為245 mm×165 mm×144 mm。所以，本文研制的Ku波段120 W小型化功放模塊在保持高功率輸出的前提下，覆蓋頻帶更寬、體積更小、質(zhì)量更輕、線性度更好。

6 結(jié)語

本文針對(duì)目前市場上固態(tài)功率放大器體積大、質(zhì)量重、高成本問題，研制一種新型Ku波段120 W小型化功放模塊，該模塊使用國產(chǎn)氮化鎵芯片，基于波導(dǎo)E-T結(jié)形式進(jìn)行6路波導(dǎo)功率合成。與已有的功放模塊技術(shù)指標(biāo)對(duì)比，本文研制的Ku波段120 W小型化功放模塊在高功率輸出前提下，具有體積更小、質(zhì)量更輕、線性度更好的優(yōu)勢(shì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于市場同級(jí)水平。目前該功放模塊已應(yīng)用于我國某重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。