一种大功率连续波组件的研制

张永慧,沈 红,汪邦金

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引 言

本功率组件是超导直线加速器重要组成单元，为强流质子束流提供功率能量，其性能关系到系统的可靠性。加速器驱动次临界系统所需的功率设备要在相对恶劣的电磁环境条件下运行，需要以安全、稳定、高可靠等为特点进行研制工作。

1 功率组件架构

功率组件需要完成P波段(f±2 MHz)连续波1 kW 的功率放大。功率模块为固态功率放大，能够抗全反射。

根据系统要求，本功率组件属于高增益、大功率放大组件，为了能够稳定、可靠的工作，合理的选择功率器材、指标分配、合成形式及器件散热是研制重点[1]。根据需求特点，综合输出功率、效率和器件的成熟度等各方面的因素，而且从成本因素考虑，利用LDMOS功率管实现微波功率放大器是满足设计要求的较好选择。在本频段LDMOS功率管具有高增益、高效、连续波工作等特点[2]，其高效特性降低了组件的热设计难度，提高了系统稳定性和可靠性。

功率组件采用两级放大架构，第一级驱动级、第二级末级两路合成的方式实现[3]。20 dBm的激励功率从功放组件输入端口输入，通过移相与衰减、驱动级放大后，经功分器分成2路5 W驱动功率信号，各推动一个600 W的功率管，经大功率隔离器、合成器合成不小于1 kW的输出功率。功率组件的移相与衰减调整电路，可以保证组件的幅度、相位一致性。散热形式采用液冷冷却方式，各个功能单元的热设计是保证组件可靠工作的必要手段。

组成框图如图1所示。

图1 功率组件框图

功率组件的主要组成：移相与衰减、 1个驱动模块、1分2功率分配器、2个功放模块、2个隔离器， 2合1功率合成器、1个组件监控组成。组件监控完成采集、传输功率模块工作状态及温度，对故障单元实施保护，电源故障、开/关机、串口并口转化、数据上传、以及保护等功能。

2 功率组件设计

2.1 功放模块设计

功率组件的设计，最为关键的是功率管的选择。在P频段，LDMOS器件发展较为成熟。

表1 主要功率管资料

一般而言，从成本、体积等方面的因素考虑，用于组件合成的功率管应尽量选用频段内单管输出功率较大的功率管。但是本设计主要工作于大功率连续波条件下，最恶劣的工作条件为全反射状态。单管连续波功率量级达到千瓦以上时，高热密度带来热设计困难度大大增加，在全反射时隔离器大功率负载工作于高负荷，热设计的成本大幅提高，可靠性降低。从热设计及器材的可靠性角度考虑，本设计优选两路600 W功率模块合成的方式，实现1 kW的功率输出，可靠性得以保证。

功率模块的LDMOS功率管采用双管推挽放大的模式。推挽形式的功率管的端口是双输入和双输出的形式。

图2 功率管

信号为单端口输入，设计功放时需要把单端非平衡输入信号转换为功率管输入端口所需的两个平衡输入信号，同时将功率管输出端的两个平衡输出信号合成到一个非平衡的输出信号。平衡-非平衡转换(即巴伦)是由一段同轴电缆构成，其完成由单端传输变换为差分传输的功能。

由于LDMOS器件内部采用多胞并联的结构，其输出阻抗较低，通过阻抗变化实现阻抗的提高。阻抗匹配的作用就是对功率电路进行阻抗变换，将给定的阻抗值进行阻抗变换，达到器件和外电路的共匹配实现功率电路的最大功率传输。设计阻抗匹配电路的过程实际上是要匹配的器件的端口阻抗逐级匹配到功放输出端50欧姆的特性阻抗上。通过调整匹配电容和电感，优化阻抗匹配设计，使功率模块的性能达到最佳状态。

推挽结构中，输入和输出巴伦采用长度小于 1/8λ、阻抗为25Ω的电缆，用于实现平衡与不平衡的转换。

从器材可靠性及散热方面考虑，降低工作电压[5]与选择合适系统要求的静态工作点，微调匹配电路。通过采取降额手段，提高可靠性和降低散热难度，效率略有降低。最终功率模块输出大于600 W，效率大于63%。

设计的功率模块如图3。

图3 功率模块

通过铜底板增大功率管的散热面面积，增强热扩散的能力。通过降低微带板厚度、密集接地孔，微带板与底板焊接等办法，降低了匹配电路的温度。输出匹配电路优选云母电容易于散热以及增强耐功率和耐压，提高电路的可靠性。

功率模块的栅极稳压调制电路，其一功能是栅极电源稳压，避免栅极波动会引起功率波动；其二功能是栅极电压调制，提高脉冲工作时的效率，且在异常状态时关断功率模块的栅压。稳压管的底面需增加覆铜焊盘面积，达到降低稳压管温度的目的。

图4 栅极稳压调制

2.2 驱动模块

根据功率组件的功率分配，驱动模块输入功率为小于18 dBm，输出功率为大于15 W，增益大于24 dB。输出功率大于20 W，漏极效率大于达到60%。

图5 驱动模块

2.3 分配器

一分二功率分配器采用威尔金森分配器，以微带形式实现。ADS的仿真模型[4]如图6所示。

图6 分配器仿真

仿真结果如图7所示。

图7 分配器仿真结果

图8 分配器版图

分配器插损优于-0.1 dB，端口隔离优于-20 dB。

2.4 合成器

二合一功率合成器采用空气板线结构形式，能够耐大功率合成，合成器的输入为穿墙绝缘子，输出为盲插连接器。

图9 功率合成器仿真

合成器通过功率为1000 W，插入损耗≤0.2 dB，输出端口驻波≤1.2，端口幅度一致性≤±0.2 dB，端口相位一致性≤±2°，满足设计要求。

2.5 隔离器

为了组件满足可以承受全反射的系统要求，在功率模块的输出端设置隔离器，隔离器。

隔离器通过连续波功率为600 W，插入损耗≤0.2 dB隔离度≥20 dB，全反射态时负载电阻耐连续波功率600 W。

2.6 组件监控

组件监控检测组件内部主要功能单元的状态、故障保护以及对外通讯。监控通过温度传感器、电流传感器、电压采样、功率采样检测组件工作状态，根据工作状态完成开关机、保护、报出故障、串口数据上传等功能。

2.7 组件结构与热设计

对于大功率、连续波组件，完善的热设计是组件可靠运行的重要保证。功率组件主要发热器件为功率管，最大热耗约为215 W，其热流密度较大约为65 W/cm2。在全反射模式下除了功率管的热耗外，还有单路500 W的反射功率散热于隔离器器负载，其热流密度较大约为75 W/cm2。

为了满足连续波大功率工作状态，经仿真优化设计经方案比较后，大面积铜底板易于快速热扩散[6]，也易于维修维护。热密度高的功率管以及负荷全反射的高功率隔离器负载先焊接在铜底板上，然后底板固定于冷板上。底板与冷板之间通过导热硅脂降低接触热阻。

图10 发热器件温度分布

功率管最高温度约为64 ℃。隔离器负载全反射工作时温度约为93 ℃。通过电讯设计与结构设计相结合的优化设计，解决了热耗大的难题，达到设计要求。

3 组件实物与测试

经过一系列设计，完成的高功率、高效率、高可靠功率组件的研制。

图11 功率组件

搭建测试系统，完成组件测试。

图12 组件输出功率

图13 组件效率

功率组件的输出功率大于1 kW，效率大于60%，达到预期指标。

4 结 语

本文对功率组件中各单元技术实现进行了充分的分析，对影响组件关键指标的功能单元进行了论述，解决了大功率连续波条件下功率组件设计与可靠性等问题，对后续相关工程设计具有很好的参考价值。

[1] 郑新,李文辉,潘厚忠,等.雷达发射机技术[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2] 胡明春等. 雷达微波新技术. 北京：电子工业出版社，2013，8.

[3] 汪邦金等. 微波固态功率组件相位一致性分析.雷达科学与技术,2008,(1):77-80.

[4] 徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京：电子工业出版社，2009.

[5] 梁晓芳.LDMOS在相控阵雷达中的可靠应用研究[D].现代雷达，2012,12.

[6] 任恒等. 固态发射机末级组件热设计,制冷与空调[J]. 2016,16(3):17-20.