Ku波段120 W小型化功放模块的研制

黄薛龙，张 俊，周二风

(1.安徽华东光电技术研究所有限公司，安徽 芜湖 241002；2.芜湖市大数据与人工智能工程技术研究中心，安徽 芜湖 241000；3.芜湖职业技术学院，安徽 芜湖 241003)

0 引言

随着军用雷达技术和卫星通信的发展，军用雷达技术和卫星通信技术对功率放大器小型化、大功率、宽频带、高效率等性能的要求越来越高[1]。功率放大器作为卫星通信系统的重要组件，其非线性特性是影响系统线性度的重要因素，为了使固态功率放大器输出大功率的同时，保持良好的线性度，往往需要采用预失真技术[2]。功率分配器和功率合成器是互易的一对部件，电路原理和外形结构完全一样，下面统称合成器。功率合成的方式有很多种，从物理结构上，可分为微带合成电路与波导合成电路；从原理上，又可分为传统二进制合成以及多路直接空间合成。在实际应用中，为了实现功放模块小型化及大功率合成，多选用波导合成技术，例如，ET、魔T等二进制合成方式；如果对功放模块功率合成效率要求更高(通常高于90%以上)，直接采用多路空间直接合成的方式[3]。相较于砷化镓芯片，氮化镓芯片快速发展，氮化镓芯片具有高运行电压、高功率附加效率、单管高功率输出等优点，特别适合于小型化、大功率、低功耗的固态功率放大器应用领域[4]。因此，基于氮化镓功率放大器研制，使用功率合成模块与电源模块共用散热器，可以有效减小整机体积及重量[5]。

针对目前市场上固态功率放大器体积大、成本高等问题，本文使用中电科十三所30 W的GaN功放芯片，采用单面散热方式，进行6路波导合成，成功研制120 W末级功放模块，体现Ku波段120 W功放模块体积小、功率大、成本低、易携带的优点。

1 功率合成分析

功率合成技术研究的是通过组合若干个相干工作单元，或者通过叠加多个分离电路功率的方法，以获得更大的输出功率。如图1所示，输入功率通过功率分配器均匀地分配到各个功放模块，经过放大后的射频信号再由功率合成器合成后得到较大的输出功率[6]。

图1 功率合成图

空间功率合成技术把若干具有相同相位关系的功放模块在空间内进行矢量叠加，获得更高的输出功率，该输出功率高于输入功率，提高的数值取决于功放模块的放大性能和功率合成的效率[7]。下面对功率合成网络输出功率及合成效率进行详细分析。

在图1中，将功放模块PA1的输出功率大小记为p1，相位记为φ1；将功放模块PAn的输出功率大小记为pn，相位记为φn，幅度和相位都存在差异的2N个矢量信号进行功率合成的总功率P。

(1)

本文以两路功率合成为例，2N=2，合成信号的总功率为

(2)

合成效率为

(3)

可见，功放模块幅度一致性和相位一致性对空间功率合成技术极为重要，因此在功率合成之前需保证每路功放模块功率、增益及相位指标相近，才能进行功率合成[8]。

2 功放模块

2.1 功放整体模块

功放模块整体设计如图2所示，包括射频前级模块、末级功放模块、检波模块、电源监控模块。整个系统由微波放大电路、电源处理电路、控制保护电路几部分组成。

图2 功放模块设计框图

2.2 射频前级模块

射频前级模块主要对整个功放模块的输入信号进行第一级放大，为末级功率放大器提供足够的激励信号。射频前级模块设计框图如图3所示，射频前级模块中引入了模拟衰减器和数控衰减器，实现了整机增益的调节。带通滤波器的加入，抑制了整机带外杂散。射频前级模块输入端使用微带耦合出一路检波信号，经检波器至运放差分放大处理后输入至电源监控模块，实现整机过激励保护功能。

图3 射频前级模块设计框图

2.3 末级功放模块

使用HFSS软件对末级功放模块进行建模，波导功率合成基于波导E-T结形式功率分配-合成网络实现功率合成放大器[9]，使用单面散热方式，软件仿真建模如图4所示，其中，6路功放模块使用中电科十三所30 W氮化镓GaN功放芯片，每个芯片输出功率约为30～33 W，每个芯片的功耗约为100 W，其热耗约80 W，合成功率约120～131 W。

图4 末级功放模块仿真建模

对末级功放模块进行仿真，该末级功放合成器在13.50～15.35 GHz频率范围内插入损耗S21小于 0.2 dB，回波损耗S11小于-17 dB，具有良好的幅度和相位一致性，该功率合成器有效解决了传统固态功放体积小和大功率不能共存的问题。

2.4 电源监控模块

电源监控模块主要包括MCU微处理器及外围控制、二次电源组及控制，如图5所示。

+28 V直流电通过直流电源滤波器输入，再通过DC-DC和LDO模块完成+28 V直流电到8 V、5 V、3.3 V、-5 V电压转换，进入整机各个模块维持工作。

MCU微处理器及外围控制实时反馈放大器各部件的工作状态，提供友好的人机交互界面，例如，功放整机过温、过压、过流、过激励、过反射、实时输出功率、实时电流等，且能通过上位机软件和双色LED指示灯显示方式输出，有助于生产调试以及客户的应用。

图5 电源监控模块设计框图

在设计该模块时，通过优化PCB布线缩小模块体积，选取合适的DC-DC和LDO实现低纹波和较高的电源转换效率。由于本模块在整机工作中是核心器件，要通过长时间多次的实验，提高稳定性和可靠性，才能应用于整机装配。

2.5 检波模块

如图2所示，检波模块由检波器和运放电路组成，末级功放隔离滤波组件上正反向耦合输出SMA接口接入至检波模块，耦合度约40 dB；检波器输出：一路参考电压Vref，另一路正斜率检波电压Vdet，将参考电压Vref和检波电压Vdet进行差值运算，输入至电源监控模块，实现检波和过反射保护功能。检波模块检波动态范围是-15～+15 dBm， 带内频率响应1 dB以内，并具有温度补偿功能。

3 功放模块热设计

功放模块热源主要由射频前级模块和末级功放模块产生，针对该问题，本文采用单面散热与整机底面壳体通过导热硅脂接触，安装在散热台上，使用外部主动风冷散热系统散热，将热量带走，实现整机正常工作。

在环境为25℃温度下，Ku波段120 W模块热仿真如图6所示。从仿真结果可以看出，外壳最高温度约为63.96℃，温升最高为38℃。芯片管壳温度最高为76.7℃，根据芯片热阻计算远小于芯片最高工作沟道温度，功放模块散热设计效果较好[10]。

图6 Ku波段120 W功放模块热仿真界面

4 功放模块实物

本文研制的功放模块实物如图7所示，尺寸为：80 mm×160 mm×44 mm，功放模块实物重量约为3.98 kg，实现了大功率、小型化、轻量化的效果。

图7 Ku波段120 W小型化功放实物图

5 功放模块技术指标

为了验证本文研制的Ku波段120 W小型化功放模块性能，将本文研制的功放模块与新型四路功率分配结构[5]主要技术指标进行比较，本文研制的功放模块指标1和新型四路功率分配结构[5]指标2的比较结果如表1所示。

表1 两种功放模块主要技术指标

在表1中，经实际测试，本文功放模块输出工作频率为13.50～15.35 GHz，新型四路功率分配结构输出工作频率为13.75～14.50 GHz；本文功放模块重量为3.98 kg，新型四路功率分配重量为7.5 kg；本文功放模块尺寸为80 mm×160 mm×44 mm，新型四路功率分配尺寸为245 mm×165 mm×144 mm。所以，本文研制的Ku波段120 W小型化功放模块在保持高功率输出的前提下，覆盖频带更宽、体积更小、质量更轻、线性度更好。

6 结语

本文针对目前市场上固态功率放大器体积大、质量重、高成本问题，研制一种新型Ku波段120 W小型化功放模块，该模块使用国产氮化镓芯片，基于波导E-T结形式进行6路波导功率合成。与已有的功放模块技术指标对比，本文研制的Ku波段120 W小型化功放模块在高功率输出前提下，具有体积更小、质量更轻、线性度更好的优势，远远领先于市场同级水平。目前该功放模块已应用于我国某重点实验平台，取得了良好的社会经济效益。