基于GaN的Ku波段千瓦级峰值功率固态发射机的研制

马云柱 张 尉 张思明 陈福媛

(1.西安电子工程研究所 西安 710100；2.陆军装备部驻洛阳地区航空军事代表室 河南洛阳 450005)

0 引言

在雷达系统中，发射机的输出功率直接决定整个系统的作用距离和抗干扰能力。受限于半导体功率器件单管功率和合成效率，长期以来在Ku及其以上频段，千瓦级以上的大功率发射机一直以行波管等电真空放大器为主。以GaN为代表的第三代宽禁带半导体器件的快速发展为在高频段固态发射机替代电真空发射机提供了广阔的发展空间。

目前，Ku及其以上频段固态功率器件的输出功率仍不够大，要实现千瓦级以上的输出功率，需要经过多次串联、并联、合成的方式。常见的功率合成方式主要有威尔金森功分/合成器、环形电桥、Lange桥、E面波导分支线功分/合成器，H面波导裂缝电桥，魔T、径向波导合成器等。

本文介绍一种基于GaN的Ku波段千瓦级峰值功率固态发射机的工程实现。以GaN的MMIC功率芯片为核心，通过32路合成方式，实现峰值功率大于1000 W。设计中首先采用一种混合式功分/合成网络，将MMIC功率芯片通过4路合成实现140 W的基础功率模块，然后以基础模块为核心，通过8路波导合成实现千瓦级固态发射机。经测试，发射机效率(不含电源)大于25%，并成功应用于某项目替代电真空发射机。在Ku波段实现了固态发射机对电真空发射机的完美替换。

1 系统组成

图1是Ku波段千瓦级固态发射机的组成原理框图, 结合波导E面T型分支、波导H面分支波导电桥、波导-微带转换结构将4 路功率单片合成一个140 W的功率模块,以此为基础,再用8路波导功率合成器将8个140 W功率模块合成,获得千瓦级峰值输出功率。这种方案的优点是140 W功率子模块采用基于波导的空间功率合成方式,合成效率高、体积小、结构简单；同时分支波导电桥的支路间具有大于20 dB 的隔离度,高的隔离度保证了整个功放的高稳定性；每个功率子模块通过调试,确保幅度、相位一致后再参与最终的8路波导合成,可维护性强；利用风机和设计合理的风道对功率模块和发射机进行了热设计,保证功率模块散热面有足够流动的风量,解决了由于功率模块发热引起的发射机可靠性问题。

图1 Ku波段千瓦级固态发射机组成原理框图

2 关键技术

由于固态功率器件输出功率的限制，要实现大功率固态发射机，必须采用功率合成。因此设计效率高、可靠性好的合成网络，是发射机研制的关键技术之一。在本文发射机设计中，主要涉及两个层级的功率合成，首先是MMIC芯片级的功率合成，即如何实现140 W的末级功率放大模块。其次是模块级的功率合成，即如何以140W末级功率放大模块为基础，通过功率合成实现千瓦级输出功率的固态发射机。

2.1 芯片级功率合成网络设计

末级功率放大模块是发射机的核心，而MMIC功率芯片则是末级功率放大模块的核心。在芯片级功率合成中，我们采用一种混合式功率合成网络，如图2。以基于GaN的MMIC功率放大芯片为基本单元，通过4路合成，实现末级功率放大模块。

图2 混合式功分/合成网络原理框图

如图2所示，该功分/合成网络主要由E-T、H面3 dB波导耦合桥和波导微带转换三部分组成。首先一个带有渐变阻抗匹配的E面T型波导形成第一级功率分配结构，实现输入功率的二等分，然后分别经过一个H面3 dB波导耦合桥实现波导结构的4路功分/合成网络。在Ku以上频段，目前大多采用的功率器件都是通过微带相连形成平面功率放大电路的，这就需要波导-微带过渡结构实现平面电路和波导的过渡。在H面3 dB波导耦合桥的波导输出端分别设计波导-微带转换电路。

以图2所示的结构作为功分网络和合成网络，以基于GaN的MMIC功率芯片为基本单元，研制140 W末级功率放大模块，图3是末级功率放大模块的实物照片。

图3 末级功放模块照片

在脉冲宽度150 μs,占空比30%的条件下，对研制的10个模块在室温环境下性能指标进行了评估，表1是筛选其中一个模块的测试结果。可以看出，当外部送入信号电平为12 dBm时，在Ku波段7.14%的相对带宽范围内脉冲输出功率均大于138 W，附加效率大于31%。测试结果表明，芯片级的功分合成网络性能满足设计预期。

表1 Ku波段固态功率放大模块测试结果

2.2 模块级功率合成网络设计

芯片级的功分/合成网络实现了140 W末级功率放大模块，模块级功率合成网络作为最后一级合成，减小插损，提高合成效率，对发射机的输出功率起决定性的作用。在模块级功率合成网络设计中，我们选择了波导合成方式。如图4所示， 8路波导合成器分为上下两层，每层由3个波导H-T形成4路合成网络，然后再经过1个波导E-T合成，最终实现8路模块级功率合成网络。

图4、图5分别是模块级功率合成网络的模型和仿真结果。仿真结果表明在工作频带内电压驻波比小于1.1，插入损耗小于0.1dB。

图4 模块级功率合成网络模型

图5 模块级功率合成网络差损和电压驻波比仿真结果

3 发射机的实现和测试结果

在发射机的实现过程中，除了功率合成网络的设计，保证末级功放模块之间的相位一致性也至关重要，为此需要对10个末级功放模块的发射相位进行测试和筛选。

最终筛选8个末级功率放大模块，采用图4的波导合成网络，实现千瓦级固态发射机，发射机的实物如图6。

图6 发射机照片

在脉冲宽度150 μs,占空比30%的条件下，对研制的发射机在室温环境下的性能指标进行了测试，结果如表2。

表2 Ku波段固态发射机测试结果

4 结束语

本文介绍了一种Ku波段千瓦级峰值输出功率的固态发射机的设计，以Ku波段GaN的MMIC功率芯片为核心，采用32路合成结构，首先通过MMIC芯片级功率合成，实现140 W的末级功率放大模块，再经过模块级8路波导合成方式实现满足设计要求的发射机。测试结果表明带内峰值输出功率大于1000 W，功率起伏小于0.4 dB，效率大于25%，并成功应用于某项目替代电真空发射机，提高了发射机的可靠性、稳定性和安全性，实现了产品的升级换代。