Ku 波段80 W 固态功率合成放大器的设计

2014-03-13 07:02宋志东
电子科技 2014年6期
关键词:微带波导固态

张 娟,湛 婷,廖 原,宋志东

(西安电子工程研究所 专业7 部,陕西 西安 710100)

功率放大器是微波毫米波系统的关键部件之一,早期的微波频段功率放大主要通过真空管器件实现[1-2],尤其第二次世界大战期间雷达系统的应用对大功率微波技术产生了巨大的推动作用,磁控管和速调管也得到了应用,并带动了行波管技术的发展。微波固态功率器件是20 世纪70 年代发展起来的,相比于真空管放大器,固态功率放大器以重量轻、尺寸小、可靠性高、成本低等优点备受人们青睐,其应用也日益广泛。由于固态高功率器件受散热、阻抗匹配和工艺等条件的限制不易实现,必须采用功率合成技术将多个MMIC 功放芯片进行合成来实现高功率放大器。

根据参与合成的电磁波模式,功率合成[3-4]技术可分为电路合成和空间功率合成两大类,采用不同的功率合成方式组合又形成了复合式功率合成技术。本文提出了一种应用于Ku 波段的分支波导和波导-微带双探针过渡[5]相结合的4 路复合式功率合成网络,该结构可较好地保证功率等幅同相4 等分,以波导作为输入和输出,从而减少输出高功率能量的损耗。

1 功率合成放大器的设计

文中的功率合成放大器结构,采用分支波导耦合器和E 面波导-微带双探针结构相结合的方式,提出了一种结构紧凑的4 路功率合成网络。图1 给出了4路功率合成器的原理框图,从图中可看出,该网络由以下几部分组成:(1)驱动MMIC 芯片,为功率合成网络提供驱动功率。(2)分支波导耦合器,其两路输出相位相差90°,从而实现了驱动功率的二等分。(3)E 面波导-微带双探针结构,实现功率的4 等分。(4)与输入相同的分支波导耦合器,由此实现4 路输出功率的合成。

图1 四路功率合成网络框图

1.1 分支波导耦合器设计

分支波导耦合器是一种常用的3 dB 正交混合电桥,其主要由输入端、隔离端、直通端以及耦合端共4个端口组成,其中直通端和耦合端作为输出口,且两输出信号存在90°的相位差[6]。其特性是:当所有端口匹配时,由端口1 输入的功率在端口2 和3 之间平分且有90°的相位差,端口4 无输出,仅作为隔离端口。分支波导耦合器的模型如图2 所示,其具有互易、无耗、对称的特点。

图2 分支波导耦合器模型

图3 分支波导耦合器仿真结果

S 参数的仿真结果,如图3 所示,在13.5 ~14.5 GHz的频率范围内,分支波导耦合器两输出端口的插损最大为3.16 dB,幅度不平衡度<0.3 dB,两端口相位相差90°,相位不平衡度<1°,4 个端口的驻波系数优于1.13,且隔离端口的隔离度优于25 dB。

1.2 波导-微带双探针设计

波导-微带双探针过渡结构以其结构简单的优势在微波毫米波频段被用作功率分配合成网络。文中采用E 面、同侧面、对面放置的双探针结构构成。

功率合成网络的一部分,实现功率的分配与合成,同时为了减小体积,采用减高波导结构。其在HFSS中的结构模型与仿真结果如图4 和图5 所示。由于采用面对面结构,使得安装于微带上的MMIC 芯片可采用分离的热层进行散热,从而大幅提高了散热性能。

图4 波导-微带双探针过渡模型

图5 波导-微带双探针仿真结果

从图5 中可看出,在13.5 ~14.5 GHz 频率范围内,两输出端插损约为-3 dB,且幅度不一致性<0.06 dB,其输入端口的驻波系数<1.07。该结构的缺点主要是两输出端的隔离度较差,但由于两输出端口的信号幅度相位一致性较好,使得隔离度对功率合成网络的性能影响较小。

1.3 功率合成网络设计

为了得到更多合成路数,本文提出了分支波导耦合器与波导-微带双探针相结合的4 路功率分配合成网络。输入的电磁波进入3 dB 波导耦合器后等功率分配成两路输出,并在各输出端沿电磁波行进方向垂直放置介质基片,将波导内能量耦合至微带探针上,同时经探针上放置的MMIC 芯片放大后,馈入进波导内合成,最终经相同的3 dB 波导耦合器将两路信号合成输出,该功率分配合成网络模型如图6 所示。

图6 四路功率合成网络模型

图7 四路功率合成网络仿真结果

功分合成网络的仿真结果如图7 所示,在整个频带范围内,插入损耗<0.16 dB,输入和输出端口的驻波系数<1.14。由此可得,该波导4 路功率合成器具有低插损和高幅相一致性特性,可满足Ku 波段功率合成放大器的要求。

1.4 有源放大部分设计

MMIC 芯片是固态功率放大器的核心,设计采用的驱动MMIC 芯片是Ku 波段6.3 W 的GaAs MMIC 单片,功率芯片采用的是Ku 波段20 W 的GaN MMIC 单片,上述两种单片均为国产MMIC 功放芯片。在微波毫米波MMIC 单片的使用过程中,微带与芯片的连接,芯片的直流供电均采用金丝键合的方式[7],同时芯片的安装主要采用共晶焊接技术[8]安装在钨铜载体上。在安装芯片时需注意芯片的偏置电路金丝尽可能短减少压降损耗,同时对多芯片的偏置电路金丝保持一致,确保供给各芯片的电压相同,在电流较大的地方采用多根金丝并联供电;微带与芯片输入输出端口一般采用两根金丝连接,且金丝尺寸也需尽可能短,以减少不连续性所带来的损耗[9-10]。

文中的功率放大器为脉冲工作方式,要提高效率,减小对散热的要求,必须对电源进行调制,调制电路采用漏级电源调制电路;另外,由于使用的功率单片采用双电源供电方式,为确保正确的加电顺序,必须引入上电时序保护电路,保证上电时先加栅压后加漏压,而断电时先断漏压后断栅压。

2 测试结果及分析

在理论分析与仿真设计的基础上,完成了Ku 波段4 路固态功率合成放大器的研制,最终完成的实物如图8 所示,其尺寸为128 mm×70 mm×43 mm。对该放大器在脉宽90 μs 和占空比30%的条件下进行测试,主要指标测试结果为:输出功率>80 W,功率合成效率高于81%,功率附加效率高于25%。

图8 Ku 波段80 W 固态功率放大器实物图

3 结束语

本文设计了一种Ku 波段80 W 固态功率合成放大器,该放大器以MMIC 功放芯片为核心,通过分支波导耦合器和波导-微带双探针过渡相结合的4 路复合式功率合成方式,实现了全国产化的Ku 波段大功率放大器。本方案在结构上具有较强的扩展性,通过级联高效率波导功分/合成网络有望实现更大功率的输出。

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