蔡 昱，馮 鶴，曹海勇

（南京電子器件研究所微波與毫米波專(zhuān)用模塊電路研發(fā)部，南京 210016）

Ku波段寬帶固態(tài)功率放大器

蔡 昱，馮 鶴，曹海勇

（南京電子器件研究所微波與毫米波專(zhuān)用模塊電路研發(fā)部，南京 210016）

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，功率合成技術(shù)發(fā)展迅猛，多種合成方案被提出來(lái)，有微帶線(xiàn)合成、波導(dǎo)腔合成、輻射線(xiàn)合成等等，但都有各自的優(yōu)勢(shì)和不足。文章介紹了一種Ku波段寬帶固態(tài)功率合成放大器的工程實(shí)現(xiàn)。固放采用多芯片多級(jí)合成，根據(jù)工程應(yīng)用的實(shí)際要求，每級(jí)合成采用了不同的合成方式。文章所研究合成功率放大器的基本單元模塊由兩個(gè)功率芯片通過(guò)Lange橋合成，在裝入殼體合成之前單獨(dú)調(diào)試，確保功率和相位基本一致后再用波導(dǎo)合成器進(jìn)行功率合成。最后通過(guò)8路E面波導(dǎo)功分器將9W模塊的功率合成在Ku波段寬帶范圍內(nèi)大于60W的功率輸出，測(cè)試數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)基本吻合。

固態(tài)功率放大器；Lange橋；MMIC；波導(dǎo)功分器

1 引言

在上個(gè)世紀(jì)40～50年代隨著真空電子管技術(shù)的巨大進(jìn)步，可在微波和毫米波頻段獲得大功率的微波電子管在軍事和通信領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。但是在低噪聲接收方面，電子管領(lǐng)域卻始終找不到突破口，這主要與熱電子流的隨機(jī)起伏大、難于有效控制有關(guān)。

固態(tài)微波器件與電真空器件相比具有較小體積和重量、較低的工作電壓、較長(zhǎng)的使用壽命等特點(diǎn)，而且通常沒(méi)有真空度和磁場(chǎng)的要求。隨著半導(dǎo)體材料和制造工藝的進(jìn)步，人們?cè)诠虘B(tài)微波功率器件領(lǐng)域取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，在小功率范圍全部取代了電真空器件，但是在大功率領(lǐng)域固態(tài)微波器件與電真空器件相比輸出功率小3～4 個(gè)數(shù)量級(jí)，這使得固態(tài)微波功率器件在大功率領(lǐng)域的使用受到了限制，而固態(tài)功率合成技術(shù)可以使固態(tài)發(fā)射機(jī)的功率提高2～3 個(gè)數(shù)量級(jí)。

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本文介紹了一種Ku波段寬帶固態(tài)功率放大模塊的工程實(shí)現(xiàn)，以南京電子器件研究所生產(chǎn)的Ku波段5.5W MMIC大功率芯片為核心，通過(guò)8路合成結(jié)構(gòu)，獲得峰值功率大于60W。

2 功率放大器設(shè)計(jì)

本文立足于工程應(yīng)用，針對(duì)固態(tài)功率放大器實(shí)際的使用要求，提出了一種工作頻率高、頻帶寬、輸出功率大、效率高、可靠性好、工作時(shí)間長(zhǎng)的合成方案。

圖1是本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖，根據(jù)單個(gè)芯片的功率輸出情況以及整體寬頻帶高功率輸出的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)決定采用多級(jí)合成的方式，針對(duì)不同的合成階段采用適合合成的結(jié)構(gòu)。在實(shí)現(xiàn)功率合成的同時(shí)兼顧可靠性、體積等多方面的性能要求。其基本的合成思路是先通過(guò)芯片級(jí)合成將芯片進(jìn)行第一步的合成，再將8個(gè)功率單元模塊合成60W的功率輸出。具體各級(jí)合成采用的合成結(jié)構(gòu)以及特點(diǎn)將在下面詳述。

2.1 功放MMIC芯片合成

MMIC芯片是固態(tài)功率放大器的核心，本設(shè)計(jì)采用的MMIC功率芯片是南京電子器件研究所研發(fā)生產(chǎn)的Ku波段5.5W MMIC功放，采用0.25μm功率PHEMT工藝制作。該款芯片的主要指標(biāo)如下：

（1）頻率范圍：Ku波段±2.5GHz；

（2）典型輸出功率：37.5dBm；

（3）典型小信號(hào)增益：24dB；

（4）典型效率：23%。

芯片主要參數(shù)曲線(xiàn)如圖2和圖3所示。

該款芯片采用0.25μm功率PHEMT工藝制作，根據(jù)輸出功率要求以及器件功率密度的情況選擇合適末級(jí)柵寬，根據(jù)功率增益要求確定放大器的級(jí)數(shù)，采用高精度的電子束直寫(xiě)刻?hào)?。到目前為止，該款單片功率放大器已完成包括高溫壽命在?nèi)的各項(xiàng)可靠性試驗(yàn)。

2.2 微帶合成

本級(jí)合成采用的結(jié)構(gòu)為微帶方式實(shí)現(xiàn)兩芯片合成，可選用的合成方案有Lange橋和威爾金森功分/功合器，這是兩種非常傳統(tǒng)的合成方式，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊；其最大的缺點(diǎn)就是只能用于小路數(shù)合成。

采用常規(guī)的Lange橋合路器，其特點(diǎn)是兩路之間隔離度好、駐波好。為了減少電路面積，電路基片使用砷化鎵片，圖4是兩芯片合成所采用的Lange橋功分網(wǎng)絡(luò)的電路圖。

9W模塊為整個(gè)合成固放的基礎(chǔ)功率單元，9W功率的實(shí)現(xiàn)由兩片5.5W砷化鎵單片功放采用Lange電橋合路而成。圖5為合成示意圖，實(shí)現(xiàn)初步合成，制作功率單元模塊。

芯片合成中采用微帶方式合成主要目的是為了實(shí)現(xiàn)封裝。為了滿(mǎn)足各類(lèi)環(huán)境條件的要求，提高可靠性，芯片必須進(jìn)行氣密封裝。采用兩芯片微帶合成的方式，可以實(shí)現(xiàn)第一級(jí)的合成，并在這一級(jí)將模塊進(jìn)行氣密封裝，制作出第一級(jí)的功率單元模塊。9W小模塊的電性能參數(shù)如下：

（1）飽和輸出功率：≥39.5dBm；

（2）功率增益：≥16dB；

（3）漏偏置電壓：+8V；

（4）峰值電流：≤7A；

（5）外形尺寸：20mm×15mm×8mm。

其實(shí)物圖片如圖6所示。

2.3 波導(dǎo)合成

在這一級(jí)的合成中，我們選擇波導(dǎo)合成方式。波導(dǎo)合路器是最傳統(tǒng)的一種合成形式，也已經(jīng)有很多的論文對(duì)其進(jìn)行過(guò)分析[2]。波導(dǎo)合路器功率容量高、損耗小的特點(diǎn)是其他任何一種合成形式都無(wú)法相比的。作為最后一級(jí)合成，減小損耗、提高合成效率，對(duì)最后的功率輸出起著決定性的作用。

波導(dǎo)合成器是一種三維立體結(jié)構(gòu)的功分/合成器，它有兩種形式：一種是E面功分/合成，如圖7所示；一種是H 面功分/合成，如圖8所示。E 面波導(dǎo)功分器兩路輸出信號(hào)相位相差180 °，H 面波導(dǎo)功分器兩路輸出信號(hào)相位相同，所以作為合成器使用時(shí)，E 面波導(dǎo)合成器兩路輸入信號(hào)相位需相差180°，H 面波導(dǎo)合成器兩路輸入信號(hào)相位需相同。H 面波導(dǎo)功分/合成器需要在內(nèi)部加金屬薄膜來(lái)實(shí)現(xiàn)匹配并增加帶寬，而E 面功分/合成器，需要將分路波導(dǎo)窄邊b 邊寬度減半，中間加一段過(guò)渡波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)匹配。

E面波導(dǎo)功分器是一種常用的功率合成器，應(yīng)用于寬帶大功率合成以及多路空間功率合成。其優(yōu)點(diǎn)是帶寬寬、損耗低、相位一致性好，并且結(jié)構(gòu)靈活多變，善于實(shí)現(xiàn)多路三維空間功率合成。

本文所研究的60W寬帶固態(tài)功率合成模塊通過(guò)8路E面波導(dǎo)功分器將9W模塊的功率合成大于60W的功率輸出。8路E面波導(dǎo)功分器插入損耗≤0.2dB、駐波≤1.3。

寬帶固態(tài)功率合成器的實(shí)物照片如圖9所示，體積為280mm×160mm×55mm。

在電壓48V、占空比40%條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)如圖10和圖11 所示，功率大于60W、效率約為15%。

3 結(jié)果分析及使用情況

本文研究?jī)?nèi)容主要是用電磁場(chǎng)仿真軟件計(jì)算波導(dǎo)功分器/合成器的尺寸，優(yōu)化端口駐波和減少插損，最終通過(guò)8路E面波導(dǎo)功分器在Ku波段合成大于60W的寬帶功率輸出。

外圍電路設(shè)計(jì)方面，我們添加了保護(hù)電路，包括正負(fù)電保護(hù)、脈寬過(guò)寬保護(hù)、溫控保護(hù)、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)。在監(jiān)測(cè)控制方面我們添加了溫度監(jiān)測(cè)、加電監(jiān)測(cè)和欠流指示，提高整個(gè)功率合成放大器的可靠性和可控性。

在實(shí)際工程使用中，該產(chǎn)品很好地滿(mǎn)足了使用的各種惡劣環(huán)境，順利通過(guò)交變濕熱試驗(yàn)、強(qiáng)度高達(dá)20g的掃頻振動(dòng)試驗(yàn)，通過(guò)環(huán)境溫度70℃的高溫連續(xù)工作試驗(yàn)，輸出功率與常溫功率相比，最多下降0.5dB，表明了產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)的優(yōu)越性和功率芯片的可靠性，產(chǎn)品性能得到了用戶(hù)的好評(píng)。

4 結(jié)論

本文介紹了一種Ku波段的固態(tài)大功率放大器的設(shè)計(jì)。以南京電子器件研究所研發(fā)的Ku波段5.5W MMIC功放為核心，通過(guò)功率合成的方式，實(shí)現(xiàn)了全國(guó)產(chǎn)化的Ku波段寬帶大功率功率放大器，具有工作頻率高、頻帶寬、輸出功率大，可長(zhǎng)時(shí)間工作等特點(diǎn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

［1］劉恩科，朱秉升，羅晉生. 半導(dǎo)體物理學(xué)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，1998：1-30.

［2］Kenneth J. Russell. Microwave Power Combining Techniques[J]. IEEE Transactions On Microwavs Theory And Techniques, 1979:472-478.

［3］N. Marcuvitz. Waveguide Handbook [M]. NewYork: Peter Peregrinus Ltd. 1986: 89-100.

［4］Jan Zehentner, Jan Machac, Pavel Zabloudil. Use of Nano-Grids in a Waveguide[C]. Proceedings of the 36thEuropean Microwave Conference, 2006: 111-113.

［5］Yoke-Choy Leong, Sander Weinreb. Full Band Waveguideto-Microstrip Probe Transitions[J]. IEEE MTT-S Digest,1999: 1435-1438.

［6］高桂友，陳昆和. 微波功率合成方法[J]. 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，2002，2：45-47.

A Study of Wide Frequency Ku-band High-power Solid-state Amplifier

CAI Yu, FENG He, CAO Hai-yong
（Department of MW & MMW special module circuit development,Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing210016,China）

Recently, power-combining technology has been developed rapidly. Various combining architectures have been reported such as microstrip combiner, waveguide combiner, and radial power combiner. In this paper,an engineering application of a wide frequency Ku-band SSPA(Solid-State Power Amplifier) is presented. Multichips combining technique is adopted in the design of SSPA. To meet the engineering request of the product,different combining structures have been used on different levels. The 9W modules are combined by two power MMICs using Lange bridge combiner, which has been measured independently before assembled to insure that modules have equivalent power output and phase. Finally, output power of over 60W in the Ku band is obtained though the 8-way waveguide combiner. The measured results are found to be in good agreement with the simulation data.

solid-state power amplifier; lange bridge; MMIC; 8-way waveguide combiner

TN72

A

1681-1070（2011）02-0030-04

2011-01-20

蔡 昱（1974-），安徽廬江人，1996年畢業(yè)于南京理工大學(xué)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)專(zhuān)業(yè)，學(xué)士，現(xiàn)為中國(guó)電科55所高級(jí)工程師，主要從事微波電路方面的研究。