Ku频段100 W氮化镓发射机设计

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

在微波/毫米波卫星通信系统中，发射机作为发射链路中的核心设备[1]，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[2]。目前，发射机中多采用砷化镓(GaAs)功率放大器芯片，但GaAs热阻高、击穿电压小的缺点限制了其在高电压及高功率方向的应用，GaAs器件经过几十年的发展，其性能已经达到了极限。氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料，是高频、高压、高温和大功率应用的优良半导体材料，能满足下一代电子装备对功率器件更高频率、更大功率、更小体积和更高温度工作的要求[3]。因此，采用GaN功放芯片进行功率合成已成为当前固态功率合成的重要发展方向[4]。

使用国产Ku频段35 W GaN功放芯片，采用一种改进型波导E-T结和波导—微带探针过渡相结合的新型四路功率分配/合成网络，研制出Ku频段135 W(即51.3 dBm)GaN功放模块，基于该功放模块，成功研制了Ku频段100 W发射机。发射机整机采用三明治叠层结构，功率合成模块与电源模块共用散热器，有效地减小了整机体积和重量。

1 整机方案设计

Ku频段100 W发射机主要由上变频模块[5]、驱动放大器、功率合成模块、耦合器、检波器、监控单元、电源模块、电源滤波器和风机等部分组成，整机组成如图1所示。10 MHz参考信号和C频段中频信号的合路信号进入Ku频段100 W发射机，首先进入上变频模块，模块将10 MHz参考信号和中频信号分离，之后将中频信号上变频为Ku频段信号，并提供一定的增益，在上变频模块中内置了衰减器芯片用于整机增益的调节；然后Ku频段信号依次进入驱动放大器和功率合成模块，进行功率放大；最终Ku频段信号经波导耦合器的主路输出。

图1 Ku频段100 W发射机组成框图Fig.1 Block diagram of Ku-band 100 W Transmitter

监控单元负责采集各模块的状态信息，经过处理后，以LAN接口形式输出到监控网口，控制上变频模块中衰减器的衰减量和电源模块的通断，当发射机出现本振失锁或过温时，监控单元可关断功率合成模块的供电，使功放停止工作，防止功放模块损坏，并避免非正常信号发射干扰其它信道；电源模块为各模块提供直流供电；风机将各模块传导到散热翅片的大量热量导出，使整机温度维持在一个稳定的范围。

2 理论分析与软件仿真

2.1 功率分配/合成网络的设计和仿真

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[6]。在Ku频段，如采用微带形式合成，介质损耗较大[7]，合成损耗随合成级数的增加而叠加，合成效率较低[8]，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[9]。下面对功率合成模块中的功率分配/合成网络进行理论分析与软件仿真。

2.1.1 改进型波导E-T结设计

波导T型结是一个简单的三端口网络，可以用于功率分配或功率合成。波导T型结示意如图2所示。

图2 波导T型结示意Fig.2 The model of waveguide T junction

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)[10]，其中E-T结更适合作为固态功率合成器的基本功分/合成单元[11]。波导E-T结为三端口无耗器件，这种三端口网络无法实现3个端口的同时匹配。如果以S11最小为设计目标，折中端口回波损耗和端口间隔离，可得到三端口网络S参数理想值为：

(1)

由能量守恒定律可得：

|S22|2+|S23|2+0.5=1，

(2)

|S22|=|S33|=|S32|=|S23|=-6 dB 。

(3)

由式(3)可知，波导E-T结的端口2和端口3典型回波损耗为-6 dB，隔离度为-6 dB[12]。实际应用中，波导E-T结输出端口间的低隔离度会使各合成支路的信号相互影响较大，如果一个合成支路的功放芯片损坏，由于信号串扰将使总输出功率严重恶化，进而影响整机工作稳定度[13]。

基于以上原因，研制了一种改进型波导E-T结(加载电阻膜片的渐变波导E-T结)，克服了传统波导E-T结的缺点。改进型波导E-T结通过在中心H面加入电阻膜片这种有耗材料来改善端口间的隔离度和匹配特性。电阻膜片在0.254 mm厚的陶瓷基板上双面溅射薄膜电阻制成。同时，为了改善E-T结的输入端口驻波和拓宽频率范围[14]，在输入端口加入了波导渐变结构[15]。改进型波导E-T结三维模型如图3(a)所示，仿真结果如图3(b)所示。

图3 改进型波导E-T结Fig.3 Improved waveguide E-plane T-junction

由图3可以看出，在13.5～15 GHz范围内，改进型波导E-T结具有低插入损耗、等功率分配的特性，输入端口1的回波损耗优于-25 dB，输出端口2和3之间的隔离度优于-20 dB。从仿真结果来看，该结构有效的解决了传统波导E-T结三端口无法同时匹配和2个输出端口隔离度差的问题。

2.1.2 四路功率分配/合成网络设计

文献[16-17]介绍了波导—微带探针过渡的理论分析和软件仿真。将改进型波导E-T结和波导—微带探针过渡相结合，组成了一种新型四路功率分配/合成网络。其结构模型如图4所示。

图4 四路功率分配/合成网络结构模型Fig.4 The 3D model of four-way divider/combiner

经软件仿真，该四路功率分配/合成网络在13.5～15 GHz范围内，插入损耗小于0.2 dB，回波损耗优于-18 dB，并具有良好的幅度和相位一致性。

基于微组装工艺，使用四片国产Ku频段35 W GaN功放芯片通过该四路功率分配/合成网络进行功率合成，最终实现了Ku频段135 W(即51.3 dBm)功率合成模块，合成效率高达96%。

2.2 结构及热设计

Ku频段100 W发射机采用模块化设计思路，上变频模块、驱动放大器、功率合成模块、耦合器、检波器、监控单元、电源模块、电源滤波器和风机都作为一个模块独立存在，各模块单独调试和测试完成之后装入机箱，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。

该发射机的功率合成模块采用了大功率GaN芯片，合成路数进一步减少，大大地减小了功率合成模块的体积；同时，在机箱结构设计上采用三明治结构，功率合成模块和电源模块2个热源体共用散热器，有效地减小了整机体积和重量。

发射机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地保障发射机在恶劣环境温度下正常工作；反之，不良的热设计将导致发射机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。热设计的原则是在热源及耗散空间之间建立一条低热阻的通道，使发射机产生的热量在尽可能短的时间内导出，发射机能保持在较低温度的热平衡状态[18]。

结合实际应用，该发射机采用空气强迫对流冷却方式进行散热，主要从以下3个方面对机箱结构进行优化仿真：

① 散热翅片的厚度与间隔：在散热翅片长度和高度固定的情况下，通过优化翅片的厚度与间隔，选择最佳组合使散热效果达到最佳；

② 导热材料：功率合成模块与机箱之间硬接触，会形成空气膜，造成很大的热阻，需要添加良好的导热材料，通过优化导热材料的厚度及热导率，选择最佳导热材料；

③ 预埋热管：在功率合成模块与发射机机箱的接触面焊接热管，使功率合成模块产生的热量迅速且均匀地传导至机箱，通过优化仿真热管的数量及间隔，使整机达到最佳的散热效果。

通过优化仿真，最终选择机箱翅片厚度为1 mm，间隔2 mm，导热材料为0.2 mm厚的石墨均温片，机箱预埋8根热管。

在上述参数固定后，使用Icepak软件对整机进行热仿真，将整机所处环境温度设置为60℃。根据芯片手册，每个芯片的耗散功率为79 W。热仿真结果如图5所示，芯片底部载体温度最高为129.754℃。

芯片沟道温度计算公式如下：

Tch=Tbase+Pd×θjc，

(4)

式中，Tch为芯片沟道温度；Tbase为芯片底部载体温度；Pd为芯片耗散功率；θjc为芯片热阻。

根据芯片手册，芯片热阻为1.13℃/W。由式(4)计算得到芯片沟道温度为219℃，远低于GaN芯片的最高沟道温度275℃，可保证设备稳定可靠工作[19]。

图5 发射机热仿真结果Fig.5 Thermal analysis results of the transmitter

3 测试结果

在解决上述关键技术的基础上，最终研制出了Ku频段100 W GaN发射机，该发射机充分考虑了实际工程应用和产品化设计，整机外形如图6所示。根据系统需要，供电方式220 V交流或28 V直流可选；整机配备了标准的输入接口、输出接口、射频采样口、监控网口和CAN口等。

图6 Ku频段100 W氮化镓发射机外形Fig.6 Photograph of Ku-band 100 W Ga Ntransmitter

对Ku频段100 W GaN发射机的各项指标进行了全面测试，测试结果如表1所示。

表1 发射机指标
Tab.1 Specifications of the transmitter

测试项目指标输入频率范围/GHz2.85～3.6输出频率范围/GHz13.75～14.5输出功率/dBm≥51增益/dB70±2增益平坦度/dB≤3(750 MHz带内)输出杂散/dBc≤-60三阶互调/dBc≤-25(额定总功率回退3 dB)相位噪声/dBc·Hz-1≤-70 @100 Hz;≤-80 @1 kHz;≤-90 @10 kHz;≤-100 @100 kHz体积/mm3245×165×144重量/Kg7.5

测试结果表明，该发射机相位噪声指标优良，输出功率大于51 dBm(即126 W)，整机功率合成效率大于91%，三阶互调优于-25 dBc。该产品性能指标优良，整机体积和重量较小，具有很强的市场竞争力。

4 结束语

提出了一种新型四路功率分配/合成网络，基于国产35 W GaN功放芯片，成功研制了Ku频段100 W GaN发射机，测试结果表明该产品性能指标优良。该发射机充分考虑了实际工程应用和产品化设计，具有体积小、重量轻、散热好、可靠性高和易于批产等优点。该发射机已进行了多批次生产，经过高低温、振动、冲击、淋雨和湿热等各项环境试验考核，工作稳定可靠，可应用于固定站、车载站、舰载站和机载站等多种卫星通信系统站型中，具有广阔的市场应用前景。