Ku频段2kW氮化镓固态发射机设计

马云柱 赵迎超 陈福媛

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在雷达系统中，发射机是系统的核心设备之一，大功率和高效率一直是发射机领域研究的热点和难点。以GaN为代表的第三代半导体材料MMIC功率器件由于具有更高的击穿电场，更高的热导率和更大的功率密度，为研制大功率、高效率的固态发射机提供了有力的支持，使得在高频段实现固态发射机替代电真空发射机成为可能。

文章论述了一种Ku频段2kW氮化镓固态发射机的设计。阐述了500W发射组件和平面波导魔T合成器的设计，分析了波导合成器的功率容量和相位一致性对发射机合成效率的影响，最终实现发射机输出功率大于2kW，效率大于22%。该发射机已经成功应用于某项目替代电真空发射机，实现了产品的升级换代。

1 总体设计方案

如图1所示，2kW发射机主要由一分四同轴功分器，4个500W发射组件、四路波导合成器、DC/DC电源变换模块组成。输入射频信号经过一分四同轴功分器后分别推动4个500W发射组件，在保证了4个发射组件的相位一致性后，通过四路波导合成器输出，DC/DC电源模块为4个500W发射组件提供需要的各种电压。

图1 Ku频段2kW发射机原理框图

2 关键技术

2.1 500W发射组件

500W发射组件的原理框图如图2所示，以150W功放模块为基本单元，采用E-T和H-T组合的四路波导合成输出，在输出端设置输出和反射检测电路，总控制模块实现故障检测和通信，风冷系统实现发射组件的散热，提高产品工作的稳定性和可靠性。

图2 500W发射组件原理框图

500W发射组件的实物如图3所示。外形尺寸为310mm×215mm×205mm。

图3 500W发射组件实物照片

在脉冲宽度100μs，占空比20%条件下，在室温环境下对4个发射组件的输出功率进行了测试。测试数据表明，在工作频带内，4个发射组件的峰值输出功率均大于530W，最大功率起伏小于0.5dB。

2.2 波导功率合成网络

2.2.1 平面波导魔T四路合成器设计与仿真

波导合成器由于功率容量高、损耗小，是大功率合成首选的方案。波导魔 T的两个输入端口之间具有高的隔离度，有效减少了其输入端口之间的干扰。但是传统的魔 T体积大，调配元件复杂，装配难度大，本文采用平面型魔T一定程度上解决了传统魔T的尺寸较大的问题，减小了装配难度，而且可以实现低插损、高隔离度。模型和仿真结果如图4和图5所示。

图4 平面波导魔T四路合成器仿真模型

图5 平面波导魔T四路合成器仿真结果

仿真结果表明在设定的频率范围内，平面波导魔T四路合成器电压驻波比小于1.15，插入损耗小于0.15dB。满足功率合成的工程需求。

2.2.2 功率容量计算

矩形波导功率容量的计算公式为

(1)

其中：、、的单位为cm；为波导的输入驻波系数。

若波导系统中为空气或真空，(波阻抗)为3767Ω，(空气的击穿强度)为30kV/cm，带入后得

(2)

将=158cm，=079cm,带入公式(2)，=55kW(=1)，功率容量满足工程设计需求。

如图6所示，仿真结果验证了理论分析，在总口魔处在4个功分口同时馈入500W等相功率后，功分器内部电场最强值为：113×10V/m，低于空气击穿场强29×10V/m。

图6 从4个分口馈入500W等幅等相功率时电压分布情况

2.3 相位一致性对合成效率的影响

在成功实现500W发射组件和四路平面波导魔合成网络后，四路发射组件之间的相位一致性就成为影响发射机最终合成效率的关键，由于四路功率合成的情况也可以由两路的情况推导而出，所以下面以两路功率合成来分析幅相不平衡度对合成效率的影响。合成效率计算公式为式(3)。

(3)

其中，=为幅度不平衡度；Δ=|-|为相位不平衡度。

不考虑幅度对合成效率的影响(=1)，表2 列出了相位不平衡度和合成效率的关系。

表1 4个发射组件常温下输出峰值功率测试数据

表2 相位不平衡度和合成效率的关系

由表2可以看出，相位不平衡是影响合成效率的关键因素之一，4个500W发射组件的相位一致性如表3所示。

表3 选用的4个发射组件相位测试(以4#为基准)

可见4个发射组件的相位一致性较差，为了提高合成效率，通过在合成器功分端口加波导垫片调节4个发射组件的相位。调整后的相位测试如表4所示。

由表4可以看出，调整后4个发射支路同频点相位起伏小于13°，大大改善了4个发射组件之间的相位一致性。

表4 调整后的4个发射组件相位一致性测试

3 2kW发射机的设计和实测结果

经过充分的理论分析和仿真计算，依据图1原理框图设计的2kW氮化镓固态发射机的实物测试照片如图7所示。

图7 发射机实物测试照片

在脉冲宽度100μs，占空比20%条件下，对发射机在室温环境下的主要性能进行了测试，输出功率测试结果和发射机效率计算数据如表5所示。

可见，在常温条件下，发射机带内输出峰值功率大于2kW，效率大于22%，输出功率起伏小于0.45dB，根据表1和表5的测试结果，经计算发射机的合成效率大于93%，主要技术指标达到国内领先水平。

表5 发射机输出功率测试数据

4 结束语

本文介绍了一种Ku波段2kW氮化镓固态发射机的设计，采用多种形式的功率合成方式，在Ku频段实现了峰值输出功率大于2kW，效率大于22%。并成功应用于某项目替代电真空发射机，提高了系统的可靠性和安全性，实现了产品的升级换代。