Ｖ 頻段５００ Ｗ 功率放大器設(shè)計

摘 要：針對Ｖ 頻段功率放大器工作頻段高、電路合成損耗大以及效率低的現(xiàn)狀，提出基于波導Ｅ-Ｔ 結(jié)和新型波導魔Ｔ 的空間功率合成方式，采用模塊化設(shè)計思路，先將８ 路芯片進行合成形成一個基礎(chǔ)單元模塊，再將８ 個基礎(chǔ)單元模塊進一步合成，最終實現(xiàn)了６４ 路空間功率合成。在整機結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計上，創(chuàng)新性地采用三明治結(jié)構(gòu)，使設(shè)備能夠有效散熱的同時，減小了整機體積，實現(xiàn)了整機的高集成度設(shè)計。經(jīng)測試，該Ｖ 頻段功率放大器在４７ ～ ５１ ＧＨｚ 的飽和輸出功率高于５００ Ｗ，合成效率達到７８． １％ 。

關(guān)鍵詞：Ｖ 頻段；氮化鎵；功率合成；放大器

中圖分類號：ＴＮ７２２ 文獻標志碼：Ａ 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１１４（２０２４）０６－１２３８－０６

０ 引言

為滿足當今通信系統(tǒng)對無線電頻率資源的迫切需求，進一步提高系統(tǒng)的通信容量，現(xiàn)代通信系統(tǒng)的工作頻率不斷向高頻段發(fā)展，從Ｌ、Ｃ、Ｋｕ 等頻段逐漸擴展到Ｋａ、Ｖ、Ｗ 等更高頻段。因此，對高頻通信系統(tǒng)的研究與應(yīng)用變得愈加重要和緊迫［１－３］。

功率放大器是通信系統(tǒng)的核心設(shè)備［４－６］，它能將射頻信號放大輸出，對于保證通信質(zhì)量以及通信系統(tǒng)傳輸距離和抗干擾能力的提升發(fā)揮了重要作用。

在功率放大器的設(shè)計中，主要考慮兩種器件，分別是真空電子器件和半導體固態(tài)器件。真空電子器件的單管增益大，并且輸出功率較高，但其缺點是體積和質(zhì)量較大、工作電壓高，可靠性一般［７－９］。相比于真空電子器件，半導體固態(tài)器件體積小、工作電壓低，更有利于電路的集成化設(shè)計，但其單個芯片輸出功率較低，尤其是在高頻段，因此需要采用功率合成技術(shù)將多個固態(tài)放大芯片進行合成［１０］，以達到高功率輸出的目的。

使用Ｖ 頻段１０ Ｗ 功放芯片，首先基于波導Ｅ-Ｔ結(jié)，完成基礎(chǔ)單元模塊設(shè)計，每個基礎(chǔ)單元模塊包含８ 個功放芯片，然后采用新型波導魔Ｔ 結(jié)構(gòu)將８ 個基礎(chǔ)單元模塊進一步合成，完成Ｖ 頻段５００ Ｗ 功率放大器設(shè)計。

１ 整機方案設(shè)計

Ｖ 頻段５００ Ｗ 功率放大器采用模塊化設(shè)計思路，其組成框圖如圖１ 所示，主要包括增益調(diào)節(jié)模塊、驅(qū)動模塊、功率放大模塊、電源模塊和監(jiān)控模塊。

Ｖ 頻段小功率信號進入Ｖ 頻段功率放大器后，首先通過波導隔離器，然后進入增益調(diào)節(jié)模塊，增益調(diào)節(jié)模塊內(nèi)部有數(shù)字衰減器和模擬衰減器，可根據(jù)監(jiān)控模塊的控制信號對設(shè)備增益進行調(diào)節(jié)，用于實現(xiàn)增益步進調(diào)節(jié)、增益溫度補償?shù)裙δ埽詈笸ㄟ^增益放大器，模塊可提供大于２４ ｄＢ 的增益。

射頻信號經(jīng)過增益調(diào)節(jié)模塊后進入驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊內(nèi)有一級放大，增益約為１５ ｄＢ，輸出功率約為７０ Ｗ。驅(qū)動模塊輸出的信號經(jīng)由８ 路新型魔Ｔ 功分器后進入基礎(chǔ)單元模塊進行放大再合成，最大輸出功率高于５００ Ｗ。

最終輸出射頻信號通過耦合器分別耦合出一路正向信號與一路反向信號，檢波器可將耦合出的射頻模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，上報給監(jiān)控單元；耦合出的正向信號用于檢測實時輸出功率，耦合出的反向信號用于檢測輸出端口的反射功率。

監(jiān)控模塊可以與遠端計算機（站控）進行通信，將采集的各模塊參數(shù)和狀態(tài)上報，并可根據(jù)遠端控制信號對各模塊的參數(shù)和狀態(tài)進行設(shè)置。監(jiān)控模塊可采集的參數(shù)主要有功率放大模塊的輸出功率檢波信號、輸入電流檢測信號、功率放大模塊溫度信號等；監(jiān)控模塊可設(shè)置的參數(shù)主要有增益調(diào)節(jié)模塊的衰減值，同時可設(shè)置末級放大器電源的通斷，還可根據(jù)機箱內(nèi)部溫度調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速。

電源模塊為設(shè)備內(nèi)各模塊提供所需的電壓且具備控制器局域網(wǎng)（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＣＡＮ）通信功能，可以受監(jiān)控模塊的控制。當功放模塊超溫時，監(jiān)控模塊可控制電源模塊使其停止供電，防止功放模塊損壞。

２ 關(guān)鍵部件設(shè)計

Ｖ 頻段５００ Ｗ 功率放大器的主要設(shè)計是將８ 路７０ Ｗ 功率合成模塊進行合成，使用三維電磁仿真軟件對關(guān)鍵功率合成結(jié)構(gòu)進行建模仿真。

２． １ 基礎(chǔ)單元模塊設(shè)計

２． １． １ 探針過渡結(jié)構(gòu)

探針過渡結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒉▽ЫY(jié)構(gòu)和微帶線結(jié)構(gòu)進行連接，并使連接處較好地匹配。在高功率放大器的設(shè)計中，功率分配合成器采用波導結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，而功放芯片需要使用微帶線結(jié)構(gòu)進行互聯(lián)，因此需要使用過渡結(jié)構(gòu)。具體方式是首先使用探針過渡結(jié)構(gòu)將波導功分合成器中的電磁信號過渡到微帶線結(jié)構(gòu)中，然后通過金絲鍵合的方式將微帶線傳輸結(jié)構(gòu)和功放芯片進行互聯(lián)，使電磁信號進入功放芯片進行放大。探針過渡結(jié)構(gòu)如圖２（ａ）所示。

探針過渡結(jié)構(gòu)一端伸入到波導結(jié)構(gòu)中，另一端和微帶線結(jié)構(gòu)相連。伸入波導中的探針結(jié)構(gòu)物理尺寸和它距波導短路面的距離都會影響探針的輸入阻抗。在實際設(shè)計中，一般設(shè)置探針到短路面的距離為λｇ ／４（λｇ 為波導波長）。為了使兩種結(jié)構(gòu)之間實現(xiàn)良好的阻抗匹配，探針和標準微帶線之間加入一段四分之一波長阻抗變換線。波導傳輸結(jié)構(gòu)和微帶傳輸結(jié)構(gòu)所傳輸信號的主模分別是ＴＥ１０ 模和準ＴＥＭ 模，二者在過渡時可能存在互擾，可以通過減小連接處空氣腔的方法抑制互擾效應(yīng)［１１－１３］。

此外，過渡結(jié)構(gòu)采用石英基板進行設(shè)計，石英基板的主要成分為二氧化硅，它硬度高、表面光滑，且介質(zhì)耗散因數(shù)約為０，高頻性能好。探針過渡結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果如圖２（ｂ）所示。由仿真結(jié)果可知，波導－微帶探針過渡結(jié)構(gòu)在４７ ～ ５１ ＧＨｚ，回波損耗優(yōu)于２５ ｄＢ，插入損耗小于０． ０７ ｄＢ。

２． １． ２ 波導ＥＴ 結(jié)功率合成器

在Ｖ 頻段，微帶形式的功率合成器有較大的輻射損耗，影響放大器的合成效率；波導形式的功率合成器輻射損耗小，并且有較大的功率容量［１４－１５］?；A(chǔ)單元功放模塊包含８ 個功放單片，通過波導Ｅ-Ｔ結(jié)功率合成器進行合成，波導Ｅ-Ｔ 結(jié)模型如圖３所示。

功放模塊進行８ 路信號合成，因此需要將波導Ｅ-Ｔ 結(jié)進行三級拓展形成８ 路功率合成器。再在功率合成器中加入波導－微帶探針過渡結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)和功放芯片的互聯(lián)，進而完成８ 個功放芯片的合成，８ 路Ｅ-Ｔ 結(jié)功率合成器的背靠背結(jié)構(gòu)及其仿真結(jié)果如圖４ 所示。

由仿真結(jié)果可知，８ 路功率合成器背靠背結(jié)構(gòu)在４７ ～５１ ＧＨｚ，回波損耗優(yōu)于１８ ｄＢ，插入損耗小于０． ３ ｄＢ。

２． １． ３ 基礎(chǔ)單元模塊實現(xiàn)

基礎(chǔ)單元模塊的設(shè)計方法是使用波導Ｅ-Ｔ 結(jié)功分合成器將８ 個國產(chǎn)Ｖ 頻段１０ Ｗ ＧａＮ 功放芯片進行功率合成。模塊采用微組裝工藝進行裝配，并加入供電電路。經(jīng)測試，在４７ ～ ５１ ＧＨｚ，輸出功率大于７０ Ｗ，模塊實物照片如圖５ 所示。

２． ２ 新型波導魔Ｔ 設(shè)計

波導魔Ｔ 為一種四端口結(jié)構(gòu)，包括一個輸入端口、兩個輸出端口和一個隔離端口。傳統(tǒng)的魔Ｔ 結(jié)構(gòu)需要加入獨立的匹配結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)四端口的匹配。在Ｖ 頻段，器件結(jié)構(gòu)尺寸變得較小，獨立匹配結(jié)構(gòu)的設(shè)計不利于機械加工的實現(xiàn)，同時機械加工的精準度難以保證，這將影響器件的性能［１６－１８］。本文通過漸變結(jié)構(gòu)的設(shè)計在實現(xiàn)四端口匹配的同時去除了獨立的匹配結(jié)構(gòu)，新型波導魔Ｔ 結(jié)構(gòu)如圖６ 所示。

圖７ 為新型波導魔Ｔ 的仿真與測試結(jié)果，在４７ ～５１ ＧＨｚ，仿真的回波損耗優(yōu)于２３ ｄＢ，實測結(jié)果優(yōu)于１３． ５ ｄＢ；仿真的兩輸出端口之間隔離度大于２１ ｄＢ，實測結(jié)果大于１３ ｄＢ；測試出的兩輸出端口插入損耗在３． ５ ～４． ２ ｄＢ，相位差在１８３． ６° ～ １８６． ５°。通過將魔Ｔ 結(jié)構(gòu)拓展可以形成８ 路功率合成器，采用此合成器可以將８ 個基礎(chǔ)單元模塊進一步合成，從而完成Ｖ 頻段５００ Ｗ 功率放大器的設(shè)計，如圖８所示。

３ 整機實現(xiàn)

Ｖ 頻段５００ Ｗ 功率放大器的設(shè)計基于模塊化思路，其中的增益調(diào)節(jié)模塊、驅(qū)動模塊、基礎(chǔ)單元模塊和電源模塊等部分均作為獨立的單元進行設(shè)計，各部分調(diào)試完成后通過波導及電纜組件完成互連，最終實現(xiàn)整機功能，所有供電及模塊狀態(tài)監(jiān)控均通過各種接插件對接實現(xiàn)，整機具有很強的通用性、互換性和維修性。

Ｖ 頻段５００ Ｗ 功率放大器作為高散熱設(shè)備，其散熱性能直接決定了設(shè)備的可靠性。該功率放大器的熱耗主要集中在功放模塊和電源模塊，為了減小機箱體積，同時保證機箱的高效散熱能力，機箱采用三明治結(jié)構(gòu)，功放模塊和電源模塊分別安裝在機箱的上、下兩個位置，通過中間的散熱裝置共同散熱，整體布局結(jié)構(gòu)如圖９ 所示。

為了使熱量更好地傳導出去，放大器還加入了散熱翅片、預埋熱管和導熱材料，并使用Ｉｃｅｐａｃｋ 熱仿真軟件對相關(guān)參數(shù)進行了仿真優(yōu)化，最終設(shè)置散熱翅片的厚度為１ ｍｍ，間隔為２ ｍｍ，石墨均溫片的厚度為０． ２ ｍｍ，同時還包含１０ 根熱管。在此設(shè)計下，機箱熱分布仿真如圖１０ 所示，功放芯片和電源產(chǎn)生的熱量能有效地傳導出來，提高了功放的可靠性。Ｖ 頻段功率放大器的實物如圖１１ 所示。

Ｖ 頻段５００ Ｗ 功率放大器采用２２０ Ｖ 交流供電，輸入輸出端口均為標準的ＷＲ－１９ 標準波導，具備溫度監(jiān)測、過溫保護、功率監(jiān)測和反射功率異常保護等功能。此外，該產(chǎn)品采用密封式防水機箱適應(yīng)室外環(huán)境，使其具有較好的可靠性和工程應(yīng)用性，測試結(jié)果如表１ 所示。

測試結(jié)果表明，該功率放大器飽和輸出功率大于５７ ｄＢｍ（即５００ Ｗ），增益平坦度較好，三階互調(diào)指標優(yōu)于－２５ ｄＢｃ，并且輸出雜散低，整機性能優(yōu)良。通過實測輸出功率可以對功率放大器的合成效率進行計算：

η＝ Ｐｏｕｔ／ＰＭＭＩＣ ×ｎ，

式中：Ｐｏｕｔ 代表功率放大器的飽和輸出功率，ＰＭＭＩＣ代表單個功率芯片的飽和輸出功率，ｎ 代表功率放大器使用的功率芯片數(shù)量。通過公式計算可得Ｖ頻段功率放大器的合成效率為７８． １％ ，加工誤差和裝配誤差是造成合成效率下降的主要原因。

４ 結(jié)束語

采用波導Ｅ-Ｔ 結(jié)和新型波導魔Ｔ 相結(jié)合的方式實現(xiàn)了６４ 路功放芯片合成，完成了Ｖ 頻段功率放大器的設(shè)計，其飽和輸出功率大于５００ Ｗ。同時，該功率放大器采用模塊化設(shè)計思路，整機具有很強的通用性、互換性和維修性。此外，設(shè)備整體布局采用三明治結(jié)構(gòu)，使其在實現(xiàn)良好散熱的同時減小了結(jié)構(gòu)尺寸，提高了集成度。Ｖ 頻段５００ Ｗ 功率放大器射頻性能良好，工作穩(wěn)定可靠，具有較好的市場應(yīng)用前景。

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作者簡介：

王 雷 男，（１９８２—），碩士，高級工程師。

張有志 男，（１９７９—），碩士，高級工程師。

陳冠軍 男，（１９８６—），碩士，高級工程師。

魏 偉 男，（１９９３—），碩士，工程師。

黃昭宇 男，（１９９２—），博士，工程師。