X 波段1kW 固態(tài)發(fā)射機設計

郭垚

（西安電子工程研究所，陜西 西安 710100）

20 世紀末到21 世紀初，固態(tài)發(fā)射機技術(shù)在國內(nèi)得到重視并開始進入實用階段。原雷達發(fā)射機的電真空器件存在壽命短、可靠性差、開機燈絲預熱時間長等現(xiàn)象，而固態(tài)發(fā)射機相比于電真空管擁有高安全性、高效率、高可靠性、瞬時帶寬寬、體積小等明顯優(yōu)點，且由于采用了標準化、模塊化的功率放大組件，具有很大的靈活性和良好的互換性，因此越來越成為電真空雷達發(fā)射機的替代產(chǎn)品[1-3]。

1 固態(tài)發(fā)射機組成原理

固態(tài)發(fā)射機主要由驅(qū)動放大模塊、功率放大模塊、功率分配/合成器、定向耦合器、環(huán)行器、電源偏置及檢測電路等組成（圖1）。信號輸入后經(jīng)過驅(qū)動放大模塊放大后輸出至功率分配器分成多路，經(jīng)過功率放大模塊，功率放大后的多路信號經(jīng)過功率合成后通過定向耦合器環(huán)行器輸出。

圖1 發(fā)射機鏈路框圖

整個固態(tài)發(fā)射機的核心組件是功率放大模塊，其中主要器件是功率放大器，選用高效率的功率放大器件是實現(xiàn)大功率發(fā)射機的關(guān)鍵。20 世紀70 年代以來，微波單片集成電路（MMIC）以其小型化、穩(wěn)定性高、易量產(chǎn)等優(yōu)勢，在雷達系統(tǒng)中被廣泛使用。氮化鎵材料（GaN）擁有寬禁帶、擊穿場強高、高飽和電子漂移速率，相比于前兩代硅（Si）、砷化鎵（GaAs）半導體基片材料，氮化鎵單片微波集成電路（GaN MMIC）擁有更高的飽和輸出功率、更高的工作頻率和熱導率，因此基于MMIC 的高效率氮化鎵功率放大器作為發(fā)射機核心功率放大器件是更合適的選擇[4-5]。

2 固態(tài)發(fā)射機設計

2.1 設計要求

工作頻率：X 波段（10～11GHz）；發(fā)射輸出峰值功率：1kW；冷卻方式：風冷。

功率放大模塊的主要功能是對輸入的脈沖微波信號進行功率放大、對八路功率進行合成。功率放大模塊的輸入功率預設為40dBm，輸出功率大于等于58dBm，模塊內(nèi)部GaN 功率放大器的增益約為21dB，確保功率放大器飽和深度小于2dB，使得功率放大器處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

2.2 模塊間的功率分配/合成器

功率分配/合成器有兩類，一類是作為將驅(qū)動放大模塊的輸出功率等幅同相功分、將兩個功率放大模塊的輸出功率進行等幅同相合成；另一類是在功率合成模塊內(nèi)部進行輸入功率分配、放大以及合成。低頻段的固態(tài)發(fā)射機因為傳輸功率較小，通常選擇的是微帶功率分配/合成器，由于微帶傳輸功率較小，選用波導形式的功率分配/合成器，波導功分器插損小，合成效率較高。

波導形式的功率分配器比較典型就是H-T 等功分器，也稱為H-T 接頭（圖2），分支臂在矩形波導窄邊上。當各端口波導中只傳輸TE10模，且導波從其中一個端口輸入，其余各端口均接匹配負載時，H-T 接頭具有以下特性：當作為功率分配器時，兩支分支臂等幅同相輸出；當作為功率合成器時，兩支分支臂等幅同相輸入時，另一端口有最大輸出功率。

圖2 H-T 仿真模型圖

仿真波導口尺寸為標準波導尺寸22.86×10.15mm2，中間做了模型優(yōu)化，仿真結(jié)果可知分支臂兩端口的插入損耗小于0.1dB，合成輸出端口駐波小于1.25，見圖3-4。

圖3 H-T 插入損耗圖

2.3 功率放大模塊中的功率分配/合成器

圖4 H-T 分配/合成端口駐波圖

3dB 功分器是以二進制為基礎的功率分配/合成網(wǎng)絡的基本單元，對輸入功率進行90°相差等幅功分，一般的3dB 分支電橋耦合器都采取五分支的結(jié)構(gòu)，為了降低加工難度，采取了四分支線的結(jié)構(gòu)（圖5），增加了耦合孔間距。雖然減小了分支線數(shù)目會一定程度上減小耦合器的帶寬，但可以通過改變分支線的長度、間距等方法彌補。

為了方便功分器與功率放大器的連接，需要采取波導- 微帶的過渡結(jié)構(gòu)，而空間功率合成的常用過渡形式有探針過渡和波導開窗過渡。波導開窗過渡是一種諧振式結(jié)構(gòu)，其帶寬較窄，理論分析表明其相對帶寬在10%左右，且難以保證準確裝配，裝配引入的誤差很大，仿真結(jié)果和實際結(jié)果有很大差別[6-7]。而探針過渡結(jié)構(gòu)是加工準確，同時裝配方便，實驗表明仿真結(jié)果和實測結(jié)果吻合很好。故選用微帶探針過渡（圖5），同時微帶探針具有良好的寬帶特性。微帶基片沿波導寬邊中心對稱垂直伸入波導，探針所在位置與波導橫截面相垂直。輸入信號通過兩級3dB 電橋分成四路，再由雙探針結(jié)構(gòu)1:2 功分，從而實現(xiàn)1:8 功率分配，功率放大后的信號經(jīng)過與1:8 功分器對稱的8:1 功率合成器功率合成。

圖5 E 面3dB 分支電橋及雙探針仿真模型圖

定向耦合器輸入功率后至微帶輸出的4 個端口，各支路的傳輸損耗均小于0.4dB，輸入輸出端口駐波小于1.2，見圖6-7。

圖6 插入損耗

圖7 輸入輸出端口駐波

2.4 功率放大模塊平面圖示

功率放大模塊采用8 路100W-GaN 功率器件雙探針波導3dB 合成方式實現(xiàn)。輸入信號通過兩級3dB 電橋分成四路，再由雙探針結(jié)構(gòu)1:2 功分，從而實現(xiàn)1:8 功率分配，功率放大后的信號經(jīng)過與1:8 功分器對稱的8:1 功率合成器功率合成。功率放大模塊分為兩個面對面對稱模塊，每個模塊由1:4 3dB 電橋、波導- 微帶過渡、四個功率放大器、微帶- 波導過渡、4:1 3dB 電橋、四塊電源調(diào)制板、一塊電源模板等組成，見圖8。

圖8 功率放大模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 散熱設計

整體發(fā)射機系統(tǒng)采用傳統(tǒng)強迫風冷進行散熱，系統(tǒng)內(nèi)模塊單元自身銑出散熱齒，由大功率風機進行抽風。

散熱器的表面溫度由環(huán)境溫度、空氣從散熱器上吸收熱量后的溫升以及散熱器對通道內(nèi)冷卻空氣的溫升這三部分溫度構(gòu)成?？諝鈴纳崞魃衔諢崃亢蟮臏囟仍黾尤Q于器件耗散功率和總的空氣流量。散熱器對通道內(nèi)冷卻空氣的溫升取決于通過散熱器的風速以及空氣流量，通過散熱器的風速又與散熱器的幾何形狀有關(guān)。

3 測試結(jié)果及分析

測試時在25°、-40°和55°輸入功率7dBm，在10～11GHz 每隔100MHz 選擇一個頻點測量其輸出功率的大小。結(jié)果顯示在55?條件下，在10.9 和11.0GHz 的頻點輸出功率小于1kW，其余頻點輸出功率均大于1kW，測試結(jié)果滿足設計要求，見圖9。

圖9 不同溫度下的輸出功率

4 結(jié)論

本文通過采用先進的GaN 功率器件和比較成熟的固態(tài)發(fā)射機技術(shù)設計模塊化、標準化、系列化的功率放大模塊，為C/X/Ku 波段大功率模塊的實現(xiàn)提供一條途徑。文章通過對兩類功率分配/合成器的建模與仿真，為實現(xiàn)大功率傳輸、多路功率以及波導- 微帶的過渡結(jié)構(gòu)提供了一些借鑒性的方法，后續(xù)改進方向可以把波導換為帶狀線，既可以承受大功率又可以進一步縮小體積。通過實物測試，在10～11GHz 頻帶內(nèi)，輸入7dBm 功率，實測輸出功率1kW 以上，滿足設計要求。