Ku波段宽带固态功率放大器

蔡 昱，冯 鹤，曹海勇

（南京电子器件研究所微波与毫米波专用模块电路研发部，南京 210016）

Ku波段宽带固态功率放大器

蔡 昱，冯 鹤，曹海勇

（南京电子器件研究所微波与毫米波专用模块电路研发部，南京 210016）

近年来，随着科学技术的发展，功率合成技术发展迅猛，多种合成方案被提出来，有微带线合成、波导腔合成、辐射线合成等等，但都有各自的优势和不足。文章介绍了一种Ku波段宽带固态功率合成放大器的工程实现。固放采用多芯片多级合成，根据工程应用的实际要求，每级合成采用了不同的合成方式。文章所研究合成功率放大器的基本单元模块由两个功率芯片通过Lange桥合成，在装入壳体合成之前单独调试，确保功率和相位基本一致后再用波导合成器进行功率合成。最后通过8路E面波导功分器将9W模块的功率合成在Ku波段宽带范围内大于60W的功率输出，测试数据和模拟数据基本吻合。

固态功率放大器；Lange桥；MMIC；波导功分器

1 引言

在上个世纪40～50年代随着真空电子管技术的巨大进步，可在微波和毫米波频段获得大功率的微波电子管在军事和通信领域获得了广泛的应用。但是在低噪声接收方面，电子管领域却始终找不到突破口，这主要与热电子流的随机起伏大、难于有效控制有关。

固态微波器件与电真空器件相比具有较小体积和重量、较低的工作电压、较长的使用寿命等特点，而且通常没有真空度和磁场的要求。随着半导体材料和制造工艺的进步，人们在固态微波功率器件领域取得了突飞猛进的进展，在小功率范围全部取代了电真空器件，但是在大功率领域固态微波器件与电真空器件相比输出功率小3～4 个数量级，这使得固态微波功率器件在大功率领域的使用受到了限制，而固态功率合成技术可以使固态发射机的功率提高2～3 个数量级。

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本文介绍了一种Ku波段宽带固态功率放大模块的工程实现，以南京电子器件研究所生产的Ku波段5.5W MMIC大功率芯片为核心，通过8路合成结构，获得峰值功率大于60W。

2 功率放大器设计

本文立足于工程应用，针对固态功率放大器实际的使用要求，提出了一种工作频率高、频带宽、输出功率大、效率高、可靠性好、工作时间长的合成方案。

图1是本设计的结构框图，根据单个芯片的功率输出情况以及整体宽频带高功率输出的设计要求，设计决定采用多级合成的方式，针对不同的合成阶段采用适合合成的结构。在实现功率合成的同时兼顾可靠性、体积等多方面的性能要求。其基本的合成思路是先通过芯片级合成将芯片进行第一步的合成，再将8个功率单元模块合成60W的功率输出。具体各级合成采用的合成结构以及特点将在下面详述。

2.1 功放MMIC芯片合成

MMIC芯片是固态功率放大器的核心，本设计采用的MMIC功率芯片是南京电子器件研究所研发生产的Ku波段5.5W MMIC功放，采用0.25μm功率PHEMT工艺制作。该款芯片的主要指标如下：

（1）频率范围：Ku波段±2.5GHz；

（2）典型输出功率：37.5dBm；

（3）典型小信号增益：24dB；

（4）典型效率：23%。

芯片主要参数曲线如图2和图3所示。

该款芯片采用0.25μm功率PHEMT工艺制作，根据输出功率要求以及器件功率密度的情况选择合适末级栅宽，根据功率增益要求确定放大器的级数，采用高精度的电子束直写刻栅。到目前为止，该款单片功率放大器已完成包括高温寿命在内的各项可靠性试验。

2.2 微带合成

本级合成采用的结构为微带方式实现两芯片合成，可选用的合成方案有Lange桥和威尔金森功分/功合器，这是两种非常传统的合成方式，其优点是体积小、结构紧凑；其最大的缺点就是只能用于小路数合成。

采用常规的Lange桥合路器，其特点是两路之间隔离度好、驻波好。为了减少电路面积，电路基片使用砷化镓片，图4是两芯片合成所采用的Lange桥功分网络的电路图。

9W模块为整个合成固放的基础功率单元，9W功率的实现由两片5.5W砷化镓单片功放采用Lange电桥合路而成。图5为合成示意图，实现初步合成，制作功率单元模块。

芯片合成中采用微带方式合成主要目的是为了实现封装。为了满足各类环境条件的要求，提高可靠性，芯片必须进行气密封装。采用两芯片微带合成的方式，可以实现第一级的合成，并在这一级将模块进行气密封装，制作出第一级的功率单元模块。9W小模块的电性能参数如下：

（1）饱和输出功率：≥39.5dBm；

（2）功率增益：≥16dB；

（3）漏偏置电压：+8V；

（4）峰值电流：≤7A；

（5）外形尺寸：20mm×15mm×8mm。

其实物图片如图6所示。

2.3 波导合成

在这一级的合成中，我们选择波导合成方式。波导合路器是最传统的一种合成形式，也已经有很多的论文对其进行过分析[2]。波导合路器功率容量高、损耗小的特点是其他任何一种合成形式都无法相比的。作为最后一级合成，减小损耗、提高合成效率，对最后的功率输出起着决定性的作用。

波导合成器是一种三维立体结构的功分/合成器，它有两种形式：一种是E面功分/合成，如图7所示；一种是H 面功分/合成，如图8所示。E 面波导功分器两路输出信号相位相差180 °，H 面波导功分器两路输出信号相位相同，所以作为合成器使用时，E 面波导合成器两路输入信号相位需相差180°，H 面波导合成器两路输入信号相位需相同。H 面波导功分/合成器需要在内部加金属薄膜来实现匹配并增加带宽，而E 面功分/合成器，需要将分路波导窄边b 边宽度减半，中间加一段过渡波导来实现匹配。

E面波导功分器是一种常用的功率合成器，应用于宽带大功率合成以及多路空间功率合成。其优点是带宽宽、损耗低、相位一致性好，并且结构灵活多变，善于实现多路三维空间功率合成。

本文所研究的60W宽带固态功率合成模块通过8路E面波导功分器将9W模块的功率合成大于60W的功率输出。8路E面波导功分器插入损耗≤0.2dB、驻波≤1.3。

宽带固态功率合成器的实物照片如图9所示，体积为280mm×160mm×55mm。

在电压48V、占空比40%条件下的测试数据如图10和图11 所示，功率大于60W、效率约为15%。

3 结果分析及使用情况

本文研究内容主要是用电磁场仿真软件计算波导功分器/合成器的尺寸，优化端口驻波和减少插损，最终通过8路E面波导功分器在Ku波段合成大于60W的宽带功率输出。

外围电路设计方面，我们添加了保护电路，包括正负电保护、脉宽过宽保护、温控保护、过压过流保护。在监测控制方面我们添加了温度监测、加电监测和欠流指示，提高整个功率合成放大器的可靠性和可控性。

在实际工程使用中，该产品很好地满足了使用的各种恶劣环境，顺利通过交变湿热试验、强度高达20g的扫频振动试验，通过环境温度70℃的高温连续工作试验，输出功率与常温功率相比，最多下降0.5dB，表明了产品散热设计的优越性和功率芯片的可靠性，产品性能得到了用户的好评。

4 结论

本文介绍了一种Ku波段的固态大功率放大器的设计。以南京电子器件研究所研发的Ku波段5.5W MMIC功放为核心，通过功率合成的方式，实现了全国产化的Ku波段宽带大功率功率放大器，具有工作频率高、频带宽、输出功率大，可长时间工作等特点，各项性能指标达到国内领先水平。

［1］刘恩科，朱秉升，罗晋生. 半导体物理学[M]. 西安：西安交通大学出版社，1998：1-30.

［2］Kenneth J. Russell. Microwave Power Combining Techniques[J]. IEEE Transactions On Microwavs Theory And Techniques, 1979:472-478.

［3］N. Marcuvitz. Waveguide Handbook [M]. NewYork: Peter Peregrinus Ltd. 1986: 89-100.

［4］Jan Zehentner, Jan Machac, Pavel Zabloudil. Use of Nano-Grids in a Waveguide[C]. Proceedings of the 36thEuropean Microwave Conference, 2006: 111-113.

［5］Yoke-Choy Leong, Sander Weinreb. Full Band Waveguideto-Microstrip Probe Transitions[J]. IEEE MTT-S Digest,1999: 1435-1438.

［6］高桂友，陈昆和. 微波功率合成方法[J]. 无线通信技术，2002，2：45-47.

A Study of Wide Frequency Ku-band High-power Solid-state Amplifier

CAI Yu, FENG He, CAO Hai-yong
（Department of MW & MMW special module circuit development,Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing210016,China）

Recently, power-combining technology has been developed rapidly. Various combining architectures have been reported such as microstrip combiner, waveguide combiner, and radial power combiner. In this paper,an engineering application of a wide frequency Ku-band SSPA(Solid-State Power Amplifier) is presented. Multichips combining technique is adopted in the design of SSPA. To meet the engineering request of the product,different combining structures have been used on different levels. The 9W modules are combined by two power MMICs using Lange bridge combiner, which has been measured independently before assembled to insure that modules have equivalent power output and phase. Finally, output power of over 60W in the Ku band is obtained though the 8-way waveguide combiner. The measured results are found to be in good agreement with the simulation data.

solid-state power amplifier; lange bridge; MMIC; 8-way waveguide combiner

TN72

A

1681-1070（2011）02-0030-04

2011-01-20

蔡 昱（1974-），安徽庐江人，1996年毕业于南京理工大学电磁场与微波技术专业，学士，现为中国电科55所高级工程师，主要从事微波电路方面的研究。