Ka波段100W連續(xù)波固態(tài)功放模塊一體化設(shè)計(jì)

馬云柱 張國(guó)強(qiáng) 康 穎 謝 敏

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在毫米波系統(tǒng)中,功放模塊是發(fā)射鏈路中的核心設(shè)備,其輸出功率很大程度上決定了系統(tǒng)的工作效能。在毫米波段受限于功率器件的發(fā)展水平,單個(gè)功放芯片的輸出功率有限,為了獲得更高的輸出功率,必須采用合適的功率合成技術(shù)。毫米波固態(tài)功率合成技術(shù)主要包括芯片級(jí)功率合成、電路級(jí)功率合成和空間功率合成等。在實(shí)際應(yīng)用中往往采用多種形式相結(jié)合的混合式功率合成方案實(shí)現(xiàn)高效大功率輸出。

本文介紹了一種基于GaN功率單片(MMIC)的Ka波段100W連續(xù)波固態(tài)功放模塊的設(shè)計(jì)。主要特點(diǎn)是采用一體化的設(shè)計(jì)思路,依托精密機(jī)械加工技術(shù),在一個(gè)模塊內(nèi)采用多種形式的功分合成網(wǎng)絡(luò)。包括波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換、波導(dǎo)H面3dB電橋、波導(dǎo)E-T等多種形式相結(jié)合的混合功分合成網(wǎng)絡(luò),通過(guò)三級(jí)級(jí)聯(lián)放大鏈路實(shí)現(xiàn)大于100W連續(xù)波功率輸出。該設(shè)計(jì)突破了常規(guī)的模塊化設(shè)計(jì)方法,優(yōu)化了設(shè)計(jì)流程,提高了產(chǎn)品的一致性,具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性。通過(guò)更換功率芯片可以實(shí)現(xiàn)更大的輸出功率。

1 設(shè)計(jì)方案

如圖1所示,功放模塊的放大鏈路由三級(jí)功率芯片級(jí)聯(lián)而成,射頻激勵(lì)信號(hào)首先經(jīng)過(guò)第一級(jí)功率放大,然后經(jīng)第一個(gè)一分二混合式功分網(wǎng)絡(luò)(即微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換+波導(dǎo)E-T+波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換)分別推動(dòng)第二級(jí)驅(qū)動(dòng)功分芯片,經(jīng)微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換,通過(guò)四路混合式功分合成網(wǎng)絡(luò)(即波導(dǎo)H面電橋+波導(dǎo)E-T+波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換),分別驅(qū)動(dòng)八路末級(jí)功率芯片,最后通過(guò)波導(dǎo)E-T合成器,實(shí)現(xiàn)最終的功率輸出。

圖1 功放模塊原理框圖

設(shè)計(jì)中,采用一體化設(shè)計(jì)思路,在一個(gè)模塊內(nèi)部采用了微波單片集成電路(MMIC)技術(shù)、多芯片組件(MCM)技術(shù)和多種形式的混合式功分合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等,其中多種形式的功分/合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

2 功分/合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在功放模塊內(nèi)部,按照射頻信號(hào)的傳輸方向,包括一分二混合式功分網(wǎng)絡(luò),四路混合式功分/合成網(wǎng)絡(luò)和波導(dǎo)E-T功率合成器。

2.1 一分二混合式功分網(wǎng)絡(luò)

一分二混合式功分網(wǎng)絡(luò)由“微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換、波導(dǎo)E-T和波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換”三部分組成。其中波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換主要實(shí)現(xiàn)將微波能量從波導(dǎo)轉(zhuǎn)入平面微帶電路(或相反),根據(jù)微帶探針饋入波導(dǎo)方式不同分為E面探針和H面探針。本文采用的是E面波導(dǎo)微帶探針結(jié)構(gòu),探針從波導(dǎo)寬邊中心距短路面1/4波長(zhǎng)處饋入,并通過(guò)階梯過(guò)渡實(shí)現(xiàn)與微帶線的阻抗匹配,同時(shí)為了抑制高次模,耦合開孔的尺寸也進(jìn)行了優(yōu)化。波導(dǎo)E-T是一種比較常用的功分/合成結(jié)構(gòu),主要優(yōu)點(diǎn)是工作帶寬寬,插入損耗小。為了拓展工作帶寬,在功分的雙臂采用漸進(jìn)過(guò)渡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。模型和仿真結(jié)果如圖2所示,仿真結(jié)果表明在工作頻段內(nèi),S11優(yōu)于-20dB,S21和S31優(yōu)于0.27dB。

圖2 一分二混合式功分網(wǎng)絡(luò)仿真模型及S參數(shù)仿真結(jié)果

2.2 四路混合式功分/合成網(wǎng)絡(luò)

四路混合式功分/合成網(wǎng)絡(luò)由“波導(dǎo)H面3dB電橋、波導(dǎo)E-T和微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換”組成。這是功放模塊內(nèi)部最關(guān)鍵的功分/合成網(wǎng)絡(luò)。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)包括:首先是上下兩層隔離度高,提高了可靠性,分腔設(shè)計(jì)降低了功放芯片之間的互耦,其次這種結(jié)構(gòu)形式較為緊湊,實(shí)現(xiàn)了小型化和輕量化。模型和仿真結(jié)果如圖3所示,仿真結(jié)果表明在工作頻段內(nèi),S11、S31和S41優(yōu)于-20dB,背對(duì)背插入損耗S21小于0.26dB,單邊四路混合式功分/合成網(wǎng)絡(luò)的插損小于0.13dB。

圖3 四路混合式功分網(wǎng)絡(luò)背對(duì)背仿真模型及S參數(shù)仿真結(jié)果

2.3 波導(dǎo)E-T功率合成器

波導(dǎo)合成器由于功率容量高,損耗小,是毫米波功率合成的首選。本文采用的波導(dǎo)E-T兩路合成器主要功能是實(shí)現(xiàn)末級(jí)功放芯片的合成輸出,為了拓展工作帶寬,在功分的雙臂采用漸進(jìn)過(guò)渡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其模型和仿真結(jié)果如圖4所示。仿真結(jié)果表明在工作頻段內(nèi),S11優(yōu)于-20dB,插入損耗S21和S31小于0.1dB。

圖4 波導(dǎo)E-T功率合成器仿真模型及S參數(shù)仿真結(jié)果

3 功放模塊測(cè)試和分析

Ka波段100W功放模塊的實(shí)物如圖5(a)所示。該模塊采用分層設(shè)計(jì),共五層,依次命名為上蓋板(帶散熱齒)、上波導(dǎo)板、中波導(dǎo)板、下波導(dǎo)板、下蓋板(帶散熱齒)。尺寸為:196mm×150mm×72mm。

圖5 Ka波段100W連續(xù)波固態(tài)功放模塊實(shí)物照片和測(cè)試曲線

在常溫環(huán)境下對(duì)模塊的性能指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)估,測(cè)試和計(jì)算結(jié)果如圖5(b)所示?？梢钥闯?在Ka波段17%的相對(duì)帶寬范圍內(nèi)脈沖輸出功率大于115W,帶內(nèi)起伏小于0.5dB,功率附加效率大于20%,通過(guò)輸出和輸入功率的比對(duì),得到其功率增益大于50dB。

末級(jí)功率芯片采用的是國(guó)產(chǎn)GaN功率單片(MMIC),推薦工作帶寬是32～38GHz,典型飽和輸出功率42dBm,根據(jù)廠家提供的末級(jí)功率單片測(cè)試數(shù)據(jù),結(jié)合實(shí)測(cè)的功放模塊輸出功率,計(jì)算得到在工作頻帶內(nèi)合成效率大于90%。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 功放模塊合成效率計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種Ka波段百瓦量級(jí)固態(tài)功放模塊的設(shè)計(jì),采用一體化設(shè)計(jì)思路,在單個(gè)模塊內(nèi)部運(yùn)用多種形式的功分/合成網(wǎng)絡(luò),在Ka波段17%相對(duì)帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)大于115W的連續(xù)波功率輸出,本方案突破了傳統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)思想,結(jié)構(gòu)緊湊,具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性,通過(guò)更換功率芯片可以實(shí)現(xiàn)單模塊更大的功率輸出,具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用前景。