Ku頻段2kW氮化鎵固態(tài)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

馬云柱 趙迎超 陳福媛

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在雷達(dá)系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)是系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，大功率和高效率一直是發(fā)射機(jī)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料MMIC功率器件由于具有更高的擊穿電場，更高的熱導(dǎo)率和更大的功率密度，為研制大功率、高效率的固態(tài)發(fā)射機(jī)提供了有力的支持，使得在高頻段實(shí)現(xiàn)固態(tài)發(fā)射機(jī)替代電真空發(fā)射機(jī)成為可能。

文章論述了一種Ku頻段2kW氮化鎵固態(tài)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)。闡述了500W發(fā)射組件和平面波導(dǎo)魔T合成器的設(shè)計(jì)，分析了波導(dǎo)合成器的功率容量和相位一致性對發(fā)射機(jī)合成效率的影響，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)輸出功率大于2kW，效率大于22%。該發(fā)射機(jī)已經(jīng)成功應(yīng)用于某項(xiàng)目替代電真空發(fā)射機(jī)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的升級換代。

1 總體設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，2kW發(fā)射機(jī)主要由一分四同軸功分器，4個(gè)500W發(fā)射組件、四路波導(dǎo)合成器、DC/DC電源變換模塊組成。輸入射頻信號經(jīng)過一分四同軸功分器后分別推動(dòng)4個(gè)500W發(fā)射組件，在保證了4個(gè)發(fā)射組件的相位一致性后，通過四路波導(dǎo)合成器輸出，DC/DC電源模塊為4個(gè)500W發(fā)射組件提供需要的各種電壓。

圖1 Ku頻段2kW發(fā)射機(jī)原理框圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 500W發(fā)射組件

500W發(fā)射組件的原理框圖如圖2所示，以150W功放模塊為基本單元，采用E-T和H-T組合的四路波導(dǎo)合成輸出，在輸出端設(shè)置輸出和反射檢測電路，總控制模塊實(shí)現(xiàn)故障檢測和通信，風(fēng)冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)射組件的散熱，提高產(chǎn)品工作的穩(wěn)定性和可靠性。

圖2 500W發(fā)射組件原理框圖

500W發(fā)射組件的實(shí)物如圖3所示。外形尺寸為310mm×215mm×205mm。

圖3 500W發(fā)射組件實(shí)物照片

在脈沖寬度100μs，占空比20%條件下，在室溫環(huán)境下對4個(gè)發(fā)射組件的輸出功率進(jìn)行了測試。測試數(shù)據(jù)表明，在工作頻帶內(nèi)，4個(gè)發(fā)射組件的峰值輸出功率均大于530W，最大功率起伏小于0.5dB。

2.2 波導(dǎo)功率合成網(wǎng)絡(luò)

2.2.1 平面波導(dǎo)魔T四路合成器設(shè)計(jì)與仿真

波導(dǎo)合成器由于功率容量高、損耗小，是大功率合成首選的方案。波導(dǎo)魔 T的兩個(gè)輸入端口之間具有高的隔離度，有效減少了其輸入端口之間的干擾。但是傳統(tǒng)的魔 T體積大，調(diào)配元件復(fù)雜，裝配難度大，本文采用平面型魔T一定程度上解決了傳統(tǒng)魔T的尺寸較大的問題，減小了裝配難度，而且可以實(shí)現(xiàn)低插損、高隔離度。模型和仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 平面波導(dǎo)魔T四路合成器仿真模型

圖5 平面波導(dǎo)魔T四路合成器仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明在設(shè)定的頻率范圍內(nèi)，平面波導(dǎo)魔T四路合成器電壓駐波比小于1.15，插入損耗小于0.15dB。滿足功率合成的工程需求。

2.2.2 功率容量計(jì)算

矩形波導(dǎo)功率容量的計(jì)算公式為

(1)

其中：、、的單位為cm；為波導(dǎo)的輸入駐波系數(shù)。

若波導(dǎo)系統(tǒng)中為空氣或真空，(波阻抗)為3767Ω，(空氣的擊穿強(qiáng)度)為30kV/cm，帶入后得

(2)

將=158cm，=079cm,帶入公式(2)，=55kW(=1)，功率容量滿足工程設(shè)計(jì)需求。

如圖6所示，仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析，在總口魔處在4個(gè)功分口同時(shí)饋入500W等相功率后，功分器內(nèi)部電場最強(qiáng)值為：113×10V/m，低于空氣擊穿場強(qiáng)29×10V/m。

圖6 從4個(gè)分口饋入500W等幅等相功率時(shí)電壓分布情況

2.3 相位一致性對合成效率的影響

在成功實(shí)現(xiàn)500W發(fā)射組件和四路平面波導(dǎo)魔合成網(wǎng)絡(luò)后，四路發(fā)射組件之間的相位一致性就成為影響發(fā)射機(jī)最終合成效率的關(guān)鍵，由于四路功率合成的情況也可以由兩路的情況推導(dǎo)而出，所以下面以兩路功率合成來分析幅相不平衡度對合成效率的影響。合成效率計(jì)算公式為式(3)。

(3)

其中，=為幅度不平衡度；Δ=|-|為相位不平衡度。

不考慮幅度對合成效率的影響(=1)，表2 列出了相位不平衡度和合成效率的關(guān)系。

表1 4個(gè)發(fā)射組件常溫下輸出峰值功率測試數(shù)據(jù)

表2 相位不平衡度和合成效率的關(guān)系

由表2可以看出，相位不平衡是影響合成效率的關(guān)鍵因素之一，4個(gè)500W發(fā)射組件的相位一致性如表3所示。

表3 選用的4個(gè)發(fā)射組件相位測試(以4#為基準(zhǔn))

可見4個(gè)發(fā)射組件的相位一致性較差，為了提高合成效率，通過在合成器功分端口加波導(dǎo)墊片調(diào)節(jié)4個(gè)發(fā)射組件的相位。調(diào)整后的相位測試如表4所示。

由表4可以看出，調(diào)整后4個(gè)發(fā)射支路同頻點(diǎn)相位起伏小于13°，大大改善了4個(gè)發(fā)射組件之間的相位一致性。

表4 調(diào)整后的4個(gè)發(fā)射組件相位一致性測試

3 2kW發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)測結(jié)果

經(jīng)過充分的理論分析和仿真計(jì)算，依據(jù)圖1原理框圖設(shè)計(jì)的2kW氮化鎵固態(tài)發(fā)射機(jī)的實(shí)物測試照片如圖7所示。

圖7 發(fā)射機(jī)實(shí)物測試照片

在脈沖寬度100μs，占空比20%條件下，對發(fā)射機(jī)在室溫環(huán)境下的主要性能進(jìn)行了測試，輸出功率測試結(jié)果和發(fā)射機(jī)效率計(jì)算數(shù)據(jù)如表5所示。

可見，在常溫條件下，發(fā)射機(jī)帶內(nèi)輸出峰值功率大于2kW，效率大于22%，輸出功率起伏小于0.45dB，根據(jù)表1和表5的測試結(jié)果，經(jīng)計(jì)算發(fā)射機(jī)的合成效率大于93%，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

表5 發(fā)射機(jī)輸出功率測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文介紹了一種Ku波段2kW氮化鎵固態(tài)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)，采用多種形式的功率合成方式，在Ku頻段實(shí)現(xiàn)了峰值輸出功率大于2kW，效率大于22%。并成功應(yīng)用于某項(xiàng)目替代電真空發(fā)射機(jī)，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的升級換代。