室内型Ku频段150 W功率放大器设计

刘立浩，王 雷，薛 腾

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

功率放大器是卫星通信系统上行链路的核心设备，其发射功率的大小直接决定着整个系统的作用距离、抗干扰能力和通信质量[1]。真空电子管类放大器工作在高压环境中，其工作的可靠性、稳定性不如固态功率放大器，因此固态功率放大器在卫星通信系统中得到了广泛应用。但单个固态功率放大器芯片的输出功率有限，为获得大功率输出，需要进行功率合成[2]。

多路功率合成的效率是决定整个功率合成模块成败的关键因素[3]。在Ku频段，如采用微带形式合成，介质损耗较大，合成损耗随合成级数的增加而叠加，合成效率较低[4]，因此Ku频段高效大功率合成多采用基于波导的空间功率合成方式实现[5]。

使用Ku频段7 W 砷化镓(GaAs)功放芯片，采用一种2×2对脊鳍线功率合成器[6]和改进型波导H-T结相结合的新型32路功率分配/合成结构，研制出Ku频段200 W功率合成模块。基于该模块，成功研制了一款室内型Ku频段150 W功率放大器。

1 组成和原理

室内型Ku频段150 W功率放大器主要由衰减器模块、功放模块、波导隔离器、耦合检波器、监控单元、电源模块、电源滤波器、风机、液晶和按键等部分组成，整机组成如图1所示。

图1 室内型Ku频段150 W功率放大器组成框图Fig.1 Block diagram of indoor Ku-band 150 W solid-state power amplifier

Ku频段上变频器[7]输出的射频信号(13.75～14.5 GHz)由“射频输入”端口进入室内型Ku频段150 W功率放大器。首先经过一个同轴隔离器保证输入端口具有良好的驻波比，射频信号经过隔离器之后进入衰减器模块，衰减器模块可对信号衰减量进行设置；之后信号进入功放模块，功放模块由驱动放大器和200 W功率合成模块组成，驱动放大器对信号进行小信号放大，200 W功率合成模块对信号进行大信号放大；最后Ku频段信号经波导隔离器和耦合检波器后由“射频输出”端口输出。

电源模块为各模块提供直流供电；电源模块上带有“EN”控制端，当功放出现过流、过温时，监控单元可通过“EN”控制端关断电源模块，使功放模块停止工作，防止功放模块损坏，并避免非正常信号发射干扰其他信道。

监控单元负责采集功放模块输出信号的正向和反向检波信号、功放模块的温度和电流信号，经过处理后，以RS485或LAN接口形式输出到“监控网口”；监控单元可以控制衰减器模块的衰减量，实现对功放整机增益的控制。

2 设计与仿真

下面对室内型Ku频段150 W功率放大器的关键部件进行设计分析，使用三维电磁场仿真软件对关键部件进行了建模仿真，并给出了仿真结果。

2.1 26 W功放模块设计

2.1.1 波导—微带对脊鳍线过渡

波导—微带过渡要求传输损耗低，驻波小，应有足够的频带宽度，并且结构简单，易于加工和安装。1972年Meier P J提出了一种经典的波导—微带对脊鳍线过渡结构[8]，该过渡结构简单，过渡方向与电路一致，在宽频带内可以实现较好的过渡性能。波导—微带对脊鳍线过渡的渐变方式有很多，有余弦平方、抛物线以及指数线等，目前应用较为广泛的是余弦平方渐变，其设计公式为[9]：

(1)

式中，w为50 Ω微带线的宽度；z为鳍线传输线的纵向坐标(0≤z≤L)；b为波导高度；L为过渡段长度。L不能过短，过短会导致端口的反射系数较大；但也不能过长，过长导致电路损耗变大。只能采取折中的办法，一般L取1～1.5λ0左右(其中λ0为TE10模的波导波长)。

波导—微带对脊鳍线过渡的固有结构属性导致其在工作频带内不可避免地存在谐振频率。为了克服谐振频率，在设计中采用添加吸波材料，安装可调谐装置和加载孤岛金属片等方式来解决。但这样会增加过渡结构尺寸，提高加工难度，而且还会影响过渡特性。

因此，设计了一种新型波导—微带对脊鳍线过渡结构，如图2所示。与传统的波导—微带对脊鳍线过渡相比：鳍线渐变段不是采用余弦平方或指数函数曲线来设计，而是采用CST Microwave Studio仿真软件的Spline曲线来进行设计；在微带下方圆弧处没有放置金属孤岛来抑制谐振频率，而是靠曲线1和曲线2的弯曲程度和相互位置关系来抑制谐振频率[10]。

图2 新型波导—微带对脊鳍线过渡结构Fig.2 A novel waveguide-to-microstrip antipodal finline transition

2.1.2 2×2对脊鳍线功率合成器

在波导—微带对脊鳍线过渡结构基础上，将鳍线变为双对脊形式，并将转换后的微带线以功分形式输出即可构成双对脊鳍线功分器[11]。

2×2对脊鳍线包含了2层双对脊鳍线，以WR75波导宽边中心位置作为2个基板的对称中心，以对称中心将2个基板镜像安装，即可构成2×2对脊鳍线结构的基本形式[12]。在此基础上对微带线参数以及基板位置进行优化即可实现2×2对脊鳍线功率合成器[13]。2×2对脊鳍线功率合成器背靠背结构三维模型如图3(a)所示[14]，仿真结果如图3(b)所示。电路基板采用Rogers公司的 RT/duroid 5880介质板，介电常数为2.2，厚度为0.254 mm。

图3 2×2对脊鳍线功率合成器背靠背结构Fig.3 The back-to-back structure of 2×2 antipodal finline power combiner

经软件仿真可知，2×2对脊鳍线功率合成器背靠背结构在13.5～15.0 GHz频率范围内，插入损耗小于0.1 dB，回波损耗优于-30 dB，具有良好的功分和过渡功能。与传统二进制功率分配/合成器相比，实现波导—微带过渡的同时完成了功率分配/合成，从而减小了整个合成网络的插入损耗。

2.1.3 26 W功放模块的实现

基于微组装工艺，使用4片Ku频段7 W GaAs功放芯片通过2×2对脊鳍线功率合成器背靠背结构进行功率合成，最终实现了4路合成模块。经测试，在13.75～14.5 GHz频率范围内，输出功率大于26 W，合成效率达到93%。模块实物照片如图4所示。

图4 26 W功放模块实物Fig.4 Photograph of 26 W power amplifier module

2.2 改进型波导H-T结

常用的波导T型结可分为H面T型结(H-T结)和E面T型结(E-T结)[15]，均可作为固态功率合成器的基本功分/合成单元[16]。为有效改善输入端口驻波比和拓宽工作频率，本设计在普通波导H-T结上进行了改进，在端口2和端口3之间加入了一个调节部件[17]，该结构的三维模型如图5(a)所示，仿真结果如图5(b)所示。

图5 改进型波导H-T结Fig.5 Improved waveguide H-plane T-junction

使用软件进行仿真优化，使端口1反射最小，端口2和端口3等分功率输出。经优化，在13.5～15.0 GHz频率范围内，端口1回波损耗优于-20 dB，端口2和端口3输出的幅度不平衡度小于0.1 dB，输出功率实现了二等分。改进型波导H-T结可以作为一个性能优良的功率分配/合成器使用。

2.3 200 W功率合成模块设计

在2×2对脊鳍线功率合成器背靠背结构和改进型波导H-T结的基础上，研制了一种新型32路功率分配/合成结构[18]，其模型如图6所示。

图6 32路功率分配/合成结构模型Fig.6 The 3D model of 32-way power-dividing/ combining structure

经软件仿真可知，该32路功率分配/合成结构在13.75～14.5 GHz频率范围内，插入损耗小于0.4 dB，回波损耗优于-20 dB，是一款性能良好的功率分配/合成结构。基于微组装工艺，使用32片Ku频段7 W功放芯片通过32路功率分配/合成结构，成功研制了200 W功率合成模块。从实际模块结构上划分，200 W功率合成模块由8个26 W功放模块和2组一分八波导H-T结功率分配器组成。

2.4 工程实现

室内型Ku频段150 W功率放大器采用模块化设计思路，衰减器模块、功放模块、波导隔离器、耦合检波器、监控单元、电源模块、电源滤波器、风机、液晶和按键都作为独立模块存在，各模块单独调试和测试完成之后装入19英寸标准3U机箱，通过接插件相互连接，减少了操作环节，具有操作方便、性能可靠的优点。

功率放大器是系统中的大功率设备，其可靠性在很大程度上依赖于机箱结构的热设计，良好的热设计可以有效保障功放在恶劣的环境温度下正常工作；反之，不良的热设计将导致功放内部热量在某一区域内积聚，使个别关键部件因散热不畅而失效。热设计的原则就是在热源及耗散空间之间建立一条热阻尽可能低的通道，使功放产生的热量在尽可能短的时间内导出，使功放温度保持在较低的热平衡状态[19]。

结合实际应用，该功放采用空气强迫对流冷却方式进行散热，并从散热翅片的厚度与间隔、导热材料和预埋热管3个方面进行了优化设计。通过优化仿真，最终选择机箱散热翅片厚度为1 mm，间隔3 mm，导热材料为0.15 mm厚的石墨均温片，散热器预埋8根热管。

最终研制的室内型Ku频段150 W功率放大器实物照片如图7所示。

图7 室内型Ku频段150 W功率放大器实物Fig.7 Photograph of indoor Ku-band 150 W solid-state power amplifier

3 测试结果及分析

室内型Ku频段150 W功率放大器充分考虑了实际工程应用和产品化设计，采用220 V交流供电，配备了标准的输入、输出接口、耦合接口、监控网口和CAN口等。对该功放的各项性能指标进行了全面测试，结果如表1所示。

表1 室内型Ku频段150 W功率放大器指标

测试结果表明，该功率放大器1 dB压缩点输出功率大于51.8 dBm(即150 W)，三阶互调指标优于-25 dBc，整机性能指标优良。

4 结束语

提出了一种新型32路功率分配/合成结构，基于7 W GaAs功放芯片，成功研制了一种室内型Ku频段150 W功率放大器，测试结果表明该产品性能指标优良。该产品充分考虑了实际工程应用和产品化设计，具有散热好、可靠性高、操作界面友好以及易于批产等优点，机箱结构和接口符合通用标准，可原位替代进口同类产品。该产品已进行了多批次生产，经过高低温、振动、冲击及湿热等各项环境试验考核，工作稳定可靠。室内型Ku频段150 W功率放大器可应用于Ku频段卫星通信系统中，具有广阔的市场应用前景。