基于GaN的Ku波段千瓦級峰值功率固態(tài)發(fā)射機(jī)的研制

馬云柱 張 尉 張思明 陳福媛

(1.西安電子工程研究所 西安 710100；2.陸軍裝備部駐洛陽地區(qū)航空軍事代表室 河南洛陽 450005)

0 引言

在雷達(dá)系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)的輸出功率直接決定整個(gè)系統(tǒng)的作用距離和抗干擾能力。受限于半導(dǎo)體功率器件單管功率和合成效率，長期以來在Ku及其以上頻段，千瓦級以上的大功率發(fā)射機(jī)一直以行波管等電真空放大器為主。以GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展為在高頻段固態(tài)發(fā)射機(jī)替代電真空發(fā)射機(jī)提供了廣闊的發(fā)展空間。

目前，Ku及其以上頻段固態(tài)功率器件的輸出功率仍不夠大，要實(shí)現(xiàn)千瓦級以上的輸出功率，需要經(jīng)過多次串聯(lián)、并聯(lián)、合成的方式。常見的功率合成方式主要有威爾金森功分/合成器、環(huán)形電橋、Lange橋、E面波導(dǎo)分支線功分/合成器，H面波導(dǎo)裂縫電橋，魔T、徑向波導(dǎo)合成器等。

本文介紹一種基于GaN的Ku波段千瓦級峰值功率固態(tài)發(fā)射機(jī)的工程實(shí)現(xiàn)。以GaN的MMIC功率芯片為核心，通過32路合成方式，實(shí)現(xiàn)峰值功率大于1000 W。設(shè)計(jì)中首先采用一種混合式功分/合成網(wǎng)絡(luò)，將MMIC功率芯片通過4路合成實(shí)現(xiàn)140 W的基礎(chǔ)功率模塊，然后以基礎(chǔ)模塊為核心，通過8路波導(dǎo)合成實(shí)現(xiàn)千瓦級固態(tài)發(fā)射機(jī)。經(jīng)測試，發(fā)射機(jī)效率(不含電源)大于25%，并成功應(yīng)用于某項(xiàng)目替代電真空發(fā)射機(jī)。在Ku波段實(shí)現(xiàn)了固態(tài)發(fā)射機(jī)對電真空發(fā)射機(jī)的完美替換。

1 系統(tǒng)組成

圖1是Ku波段千瓦級固態(tài)發(fā)射機(jī)的組成原理框圖, 結(jié)合波導(dǎo)E面T型分支、波導(dǎo)H面分支波導(dǎo)電橋、波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)將4 路功率單片合成一個(gè)140 W的功率模塊,以此為基礎(chǔ),再用8路波導(dǎo)功率合成器將8個(gè)140 W功率模塊合成,獲得千瓦級峰值輸出功率。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是140 W功率子模塊采用基于波導(dǎo)的空間功率合成方式,合成效率高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單；同時(shí)分支波導(dǎo)電橋的支路間具有大于20 dB 的隔離度,高的隔離度保證了整個(gè)功放的高穩(wěn)定性；每個(gè)功率子模塊通過調(diào)試,確保幅度、相位一致后再參與最終的8路波導(dǎo)合成,可維護(hù)性強(qiáng)；利用風(fēng)機(jī)和設(shè)計(jì)合理的風(fēng)道對功率模塊和發(fā)射機(jī)進(jìn)行了熱設(shè)計(jì),保證功率模塊散熱面有足夠流動(dòng)的風(fēng)量,解決了由于功率模塊發(fā)熱引起的發(fā)射機(jī)可靠性問題。

圖1 Ku波段千瓦級固態(tài)發(fā)射機(jī)組成原理框圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

由于固態(tài)功率器件輸出功率的限制，要實(shí)現(xiàn)大功率固態(tài)發(fā)射機(jī)，必須采用功率合成。因此設(shè)計(jì)效率高、可靠性好的合成網(wǎng)絡(luò)，是發(fā)射機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。在本文發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)中，主要涉及兩個(gè)層級的功率合成，首先是MMIC芯片級的功率合成，即如何實(shí)現(xiàn)140 W的末級功率放大模塊。其次是模塊級的功率合成，即如何以140W末級功率放大模塊為基礎(chǔ)，通過功率合成實(shí)現(xiàn)千瓦級輸出功率的固態(tài)發(fā)射機(jī)。

2.1 芯片級功率合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

末級功率放大模塊是發(fā)射機(jī)的核心，而MMIC功率芯片則是末級功率放大模塊的核心。在芯片級功率合成中，我們采用一種混合式功率合成網(wǎng)絡(luò)，如圖2。以基于GaN的MMIC功率放大芯片為基本單元，通過4路合成，實(shí)現(xiàn)末級功率放大模塊。

圖2 混合式功分/合成網(wǎng)絡(luò)原理框圖

如圖2所示，該功分/合成網(wǎng)絡(luò)主要由E-T、H面3 dB波導(dǎo)耦合橋和波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換三部分組成。首先一個(gè)帶有漸變阻抗匹配的E面T型波導(dǎo)形成第一級功率分配結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輸入功率的二等分，然后分別經(jīng)過一個(gè)H面3 dB波導(dǎo)耦合橋?qū)崿F(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的4路功分/合成網(wǎng)絡(luò)。在Ku以上頻段，目前大多采用的功率器件都是通過微帶相連形成平面功率放大電路的，這就需要波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平面電路和波導(dǎo)的過渡。在H面3 dB波導(dǎo)耦合橋的波導(dǎo)輸出端分別設(shè)計(jì)波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換電路。

以圖2所示的結(jié)構(gòu)作為功分網(wǎng)絡(luò)和合成網(wǎng)絡(luò)，以基于GaN的MMIC功率芯片為基本單元，研制140 W末級功率放大模塊，圖3是末級功率放大模塊的實(shí)物照片。

圖3 末級功放模塊照片

在脈沖寬度150 μs,占空比30%的條件下，對研制的10個(gè)模塊在室溫環(huán)境下性能指標(biāo)進(jìn)行了評估，表1是篩選其中一個(gè)模塊的測試結(jié)果?？梢钥闯觯?dāng)外部送入信號電平為12 dBm時(shí)，在Ku波段7.14%的相對帶寬范圍內(nèi)脈沖輸出功率均大于138 W，附加效率大于31%。測試結(jié)果表明，芯片級的功分合成網(wǎng)絡(luò)性能滿足設(shè)計(jì)預(yù)期。

表1 Ku波段固態(tài)功率放大模塊測試結(jié)果

2.2 模塊級功率合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

芯片級的功分/合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了140 W末級功率放大模塊，模塊級功率合成網(wǎng)絡(luò)作為最后一級合成，減小插損，提高合成效率，對發(fā)射機(jī)的輸出功率起決定性的作用。在模塊級功率合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，我們選擇了波導(dǎo)合成方式。如圖4所示， 8路波導(dǎo)合成器分為上下兩層，每層由3個(gè)波導(dǎo)H-T形成4路合成網(wǎng)絡(luò)，然后再經(jīng)過1個(gè)波導(dǎo)E-T合成，最終實(shí)現(xiàn)8路模塊級功率合成網(wǎng)絡(luò)。

圖4、圖5分別是模塊級功率合成網(wǎng)絡(luò)的模型和仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明在工作頻帶內(nèi)電壓駐波比小于1.1，插入損耗小于0.1dB。

圖4 模塊級功率合成網(wǎng)絡(luò)模型

圖5 模塊級功率合成網(wǎng)絡(luò)差損和電壓駐波比仿真結(jié)果

3 發(fā)射機(jī)的實(shí)現(xiàn)和測試結(jié)果

在發(fā)射機(jī)的實(shí)現(xiàn)過程中，除了功率合成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，保證末級功放模塊之間的相位一致性也至關(guān)重要，為此需要對10個(gè)末級功放模塊的發(fā)射相位進(jìn)行測試和篩選。

最終篩選8個(gè)末級功率放大模塊，采用圖4的波導(dǎo)合成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)千瓦級固態(tài)發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)的實(shí)物如圖6。

圖6 發(fā)射機(jī)照片

在脈沖寬度150 μs,占空比30%的條件下，對研制的發(fā)射機(jī)在室溫環(huán)境下的性能指標(biāo)進(jìn)行了測試，結(jié)果如表2。

表2 Ku波段固態(tài)發(fā)射機(jī)測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文介紹了一種Ku波段千瓦級峰值輸出功率的固態(tài)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)，以Ku波段GaN的MMIC功率芯片為核心，采用32路合成結(jié)構(gòu)，首先通過MMIC芯片級功率合成，實(shí)現(xiàn)140 W的末級功率放大模塊，再經(jīng)過模塊級8路波導(dǎo)合成方式實(shí)現(xiàn)滿足設(shè)計(jì)要求的發(fā)射機(jī)。測試結(jié)果表明帶內(nèi)峰值輸出功率大于1000 W，功率起伏小于0.4 dB，效率大于25%，并成功應(yīng)用于某項(xiàng)目替代電真空發(fā)射機(jī)，提高了發(fā)射機(jī)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的升級換代。