Ku波段600W固态合成功放设计
UHF波段GaN星载固放的设计
UHF波段GaN星载固放的设计 谷德露 【摘 要】文中基于第三代半导体氮化镓器件抗辐照性能强的特点,设计了UHF波段星载固态功率放大器.对氮化镓器件进行了仿真设计,通过设计消除了器件的强不稳定性,将高频应用的氮化镓器件设计匹配至所需UHF波段,实现了在UHF波段的功率输出.测试结果显示,在UHF波段(f0±10 MHz)固态功率放大器的输出功率达到48 W(46.81dBm),功率增益68 dB,功率效率50％.
【期刊名称】《电子科技》 【年(卷),期】2018(031)007 【总页数】4页(P72-74,88) 【关键词】GaN器件;UHF波段;固态功率放大器;稳定性 【作 者】谷德露 【作者单位】中国电子科技集团公司第十三研究所,河北石家庄050051 【正文语种】中 文 【中图分类】TN722
随着国民经济和军事现代化的发展，通信、导航等卫星系统发挥着越来越重要的作用[1]。固态功率放大器(SSPA)是卫星通信中的关键组件，其功率、效率、损耗等均已成为影响系统性能的关键指标[2]。与传统的行波管功率放大器相比，SSPA具有重量轻、尺寸小、可靠性高、成本低等优点[3]，随着半导体技术的发展，在低频段SSPA已完全替代了行波管放大器，具有远大的发展前景[4]。 目前第三代半导体氮化镓(GaN)器件具有高功率密度、高击穿电压、高输出功率、高线性等特点[5-6]，已成为近年的研究热点。在S波段，国外已有输出功率240W，附加效率60%的GaN器件[7]，国内有峰值功率65W,附加效率45%的GaN芯片[8]。在X波段，国外已有输出12.5 W，附加效率57%的GaN器件[9]，国内有输出功率16 W，附加效率最高52%的GaN器件[10]。 在UHF波段，大功率固放产品主要采用LDMOS器件，但LDMOS器件对空间辐照较敏感，在星载的特殊环境下，其性能和可靠性会受到严重影响，因此无法应用于长寿命、高可靠卫星中，而GaN材料具有天然抗辐照特性，更适合星载环境[11]。但GaN器件增益特性较高，在低频段极易出现自激现象，基于其以上特点，现阶段GaN器件主要应用于L波段及以上频率，国内关于其应用于UHF频段固态功率放大器的研究报道较少。 本文根据研究目标，采用GaN器件进行了UHF波段SSPA的设计。测试结果显示在UHF波段(f0±10 MHz)，输出功率可达到48 W，功率增益68 dB，效率达到50%，三阶交调19.5 dB，在60 ℃环境下，GaN器件结温为155.88 ℃。该固放的研制完成为此频段的星载GaN固态功率放大器的研究及GaN器件的高频低用提供了可行性经验。 1 固态功率放大器方案设计 1.1 固态功率放大器的方案设计 固放由射频单元和电源单元两部分组成，其原理框图如图1所示。 图1 固态功率放大器原理框图 射频单元包括小信号放大单元、功率放大单元、温控和ALC电路单元。为保证输入、输出驻波及工作稳定性，在固放的输入端、级间、输出端均设计有隔离器或环形器。 小信号放大单元包括第1级放大衰减增益模块和次级放大器。第1级放大衰减增益模块，包含压控衰减器及2级小信号放大单片，封装在管壳内。次级放大器选用功率单片用于次级放大。 功率放大单元选用国外某型号的GaN功率管，将功率放大到48 W进行输出。射频电路单元原理如图2所示。 图2 射频单元原理框图 电源单元包含电压变换电路，提供固放所需的+28 V，+9 V和-5 V电压，并且通过遥测指标对整机各主要性能参数进行监测，通过遥控电路对固放工作状态(开、关)进行控制，并对异常状态进行必要的保护(包括欠压保护、过流保护和过温保护)。 1.2 末级放大器的设计 末级功率放大器的设计是固态功率放大器的设计重点，小信号放大单元的功耗较小，线性度好，因此固态功率放大器的功耗、效率、输出功率等主要指标取决于末级放大器[12]。 以往用于UHF频段的LDMOS功率管不适合于具有强辐照的星载环境，而硅、砷化镓功率管功率芯片存在集成密度低、承受结温低、附加效率低等缺点[13]，所以在末级功率放大器选用了第三代半导体GaN器件。 目前没有专用于UHF频段的GaN功率管，宽带GaN单片器件输出功率和效率均不能满足项目要求，现有 GaN器件多用于L、S波段及以上频段。根据FET器件增益和输出功率随频率的滚降关系，可选择适合输出功率的GaN功率管，对其高频低用，用大信号模型进行仿真，设计输入输出匹配电路，将其工作频段降至UHF波段。本项目选用国外某公司的GaN功率管，其主要指标如下：(1)16 dB Small Signal Gain at 2.0 GHz；(2)12 dB Small Signal Gain at 4.0 GHz；(3)55 W Typical PSAT；(4)55 % Effciency at PSAT；(5)28 V Operation。 该末级GaN功率管推荐工作频段为2 GHz，可工作于4 GHz，将其应用于低频段后增益过高，功率管稳定性下降，易出现自激现象，对末级功率管的大信号模型进行仿真，得到最大增益和稳定因子，如图3所示。 图3 末级功率管稳定性仿真 由图3可知，在低频段，功率管增益最高达到35 dB以上，在0.1～2.6 GHz，稳定因子k值小于1，此时功率管工作在不稳定状态，对末级功率管增加稳定性措施，保证其在全频段内工作稳定。具体措施包括：在功率管输入电路上串联小阻值电阻，抵消功率管不稳定时产生的负阻，提高频带稳定性；对地增加电阻、电容网络，降低最大增益。 增加稳定措施后再对其进行仿真，电路图如图4所示，仿真结果如图5所示。功率管在0.1～5.6 GHz，稳定因子k值均大于1，功率管在工作频带内工作状态稳定，最大增益约为30 dB，与增加稳定措施前相比，最大增益降低5 dB。 图4 末级功率管稳定性仿真 图5 末级功率管增加稳定措施后仿真结果 末级功率管采用器件的大信号模型进行了负载牵引仿真，运用谐波平衡(HB)法[14-15]，变换源阻抗值及负载阻抗值，在史密斯圆图上找到功率管的等功率及等增益曲线，不断对源牵引与负载牵引进行分析，在保证输出功率及效率满足指标要求的前提下，使前后两次得到的负载阻抗差值尽量小。负载牵引的电路如图6所示，在最佳阻抗情况下，得到的等功率及等增益圆如图7所示，电路整体的仿真图如图8所示，末级功率管的实物图如图9所示。 图6 末级功率管负载牵引仿真图 图7 末级功率管负载牵引等效率、等增益圆仿真图 图8 末级功率管整体仿真图 图9 末级功率管实物电路图 2 固态功率放大器研制结果 对固放进行了电性能测试，在f0±10 MHz的工作频带内，输出功率48 W，工作效率50%，三阶交调19.5 dB，技术指标研制结果如表1所示。 表1 固态功率放大器的研制结果序号参数测试值1频率f0±10MHz2额定输出功率48W(46 81dBm)3额定增益68dB4输出功率平坦度0 2dB5三阶交调19 5dB6效率50%7杂散抑制63dB8谐波抑制43dB9输入/输出驻波比1 2/1 22 根据表1的实测结果，固放的输出功率达48 W，达到了指标要求，固放的整体工作效率达到50%，固放电源单元的电源转换效率为90%，经计算，固放末级功率管效率实际效率达到60%，与仿真结果62%基本一致，固放产品的实物如图10所示。 图10 UHF频段固态功率放大器 3 结束语 本文基于第三代半导体材料氮化镓器件高功率密度、高击穿电压、高输出功率、高线性等特点完成了UHF波段固态功率放大器样机的设计及研制，通过设计仿真消除了末级功率管由于高频低用产生的不稳定状态，将在高频段应用的GaN器件应用于所需的UHF波段，运用仿真软件进行了负载牵引仿真及匹配电路设计、优化，实现了固放在UHF波段48W的功率输出，固放的整体效率可达50%，达到了预期指标，并给出了测试结果及分析。 UHF频段固态放大器的研制成功，为GaN器件在UHF频段星载固放上的应用提供了研制经验，为进一步研制高功率、高效率的星载固放提供了技术基础。 参考文献
Ku波段多通道瓦片式TR组件的设计
Ku波段多通道瓦片式T/R组件的设计刘卫强，巨景超，郭超（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）摘 要：本文给出了一种多通道、低成本、高密度的宽带瓦片式T/R组件集成方案。
T/R组件集成了16个收发分时工作的T/R通道，每个通道收发电源调制和幅度相位均可独立控制，并且包含负电保护，温度检测等功能。
为了降低尺寸和重量，采用瓦片式结构，重量小于55g，相比于砖块式的T/R组件，重量比约为1：4。
该组件采用MCM（多芯片组件）技术设计，并对多个芯片进行了集成设计，实现了平均每个通道只有1.5片射频芯片，降低成本的同时增加了微组装的简便性和可靠性。
根据本文提出的集成方案进行了实物设计，并完成了实物测试，测试结果满足设计指标。
关键词：多通道，瓦片式，高密度，低成本中图分类号：TN626 文献标识码：A 文章编号：1674-7976-(2019)02-136-06 Design on Multichannel Tile-Type T/R Module of Ku-BandLIU Weiqiang, JU Jingchao, GUO ChaoAbstract:This paper presents an integrated solution of a multichannel, low-cost, high-density broadband Tile-type T/R Module. The sixteen timesharing T/R channels are integrated, power modulation and amplitude-phase of each channel can be controlled independently. T/R module contains negative electric protection, temperature detection and other functions. To reduce size and weight, tile-type T/R module is used. The weight is less than 55g, compared with traditional T/R module, the weight ratio is about 1:4. The T/R module is designed based MCM technology, the integrated design of multiple chips is carried out. An average of 1.5 slices RF chips per channel is achieved, cost can be reduced, and the simplicity and reliability of micro assembly can be increased. According to the integration scheme proposed in this paper, the physical design is carried out and the physical test is completed. The test result satisfies the design target.Key words: Multichannel; Tile-Type; High-Density; Low-Cost0 引言T/R组件是有源相控阵雷达的核心部件，其指标直接影响到相控阵雷达的性能。
Ku波段多通道收发组件设计
Ku波段多通道收发组件设计徐森锋;吴亮亮【摘要】阐述了一种包含四路接收通道和一路发射通道的Ku波段收发组件的工作原理,并对组成的单元电路和关键技术进行了分析.试验结果表明,在2 GHz带宽和-55～+85℃温度下,发射通道输出功率为(31±1)dBm,带内功率平坦度≤±0.5 dB,开关隔离度≥90 dB;接收通道增益为(30±1)dB,噪声系数≤5.0 dB,通道隔离度≥60 dB.测试结果表明,方案切实可行,满足使用要求.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2016(029)008【总页数】3页(P36-38)【关键词】Ku波段;收发组件;多通道;发射通道;接收通道【作者】徐森锋;吴亮亮【作者单位】中国电子科技集团公司第13研究所科技处,石家庄050051;中国电子科技集团公司第13研究所科技处,石家庄050051【正文语种】中文【中图分类】TN92收发组件是现代无线通信系统中的重要组成部分。
其质量影响整个通信系统的通信效果，同时对整个系统的动态性能起到关键作用。
收发组件通常由发射通道和接收通道两部分组成。
发射通道的主要作用是将调制后的中频信号变频至射频信号，再进行放大滤波等处理，使信号达到一定功率输出。
发射通道的主要指标是发射功率、带内平坦度、三阶互调等；接收通道的主要作用是从空间接收到的电磁波中选出有用信号，变频至中频信号并放大滤波输出。
接收通道的主要指标是噪声系数、增益、动态范围、抗干扰能力等。
多路通道还必须考虑通道之间的幅相一致性、通道隔离度等指标[1-2]。
收发组件主要包括发射通道、接收通道、DC/DC电源转换和驱动电路等单元。
其中发射通道和接收通道射频电路相互独立，共用DC/DC电源转换和驱动电路。
发射通道对输入的Ku波段信号进行放大处理，电路组成包括微波开关、推动级放大器、末级功率放大器等。
接收通道[3-4]对输入的Ku波段信号进行下变频处理，包含3路主通道(1路和通道和2路差通道)和1路辅助通道。
毫米波400W连续波固态功放设计
毫米波400W连续波固态功放设计李新胜【摘要】针对未来深空测控及其他航天器的测控通信需求,提出了一种基于单片微波集成电路(MMIC)的新颖高效2×6路结构的波导功率合成方案.利用三维电磁场软件HFSS建模仿真,并以此为基础研制了38 W功放模块和功率合成器.通过模块化设计、分布式散热和结构一体化等多种技术措施,设计的毫米波固态功放实现了192路芯片高效率合成.测试结果表明,在1 GHz带宽内输出P1dB功率达到400W(连续波),合成效率达到80％以上,散热效果理想,设备稳定.【期刊名称】《无线电工程》【年(卷),期】2017(047)001【总页数】4页(P59-61,70)【关键词】Ka频段;连续波;固态功放;合成器;合成效率;热设计【作者】李新胜【作者单位】中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南郑州450047【正文语种】中文【中图分类】TN73由于Ka频段测控系统在信噪比、带宽和抗干扰能力等方面的先天优越性，未来深空探测任务的上行工作频段将逐渐从目前的S频段、X频段向Ka频段方向过渡、发展。
但由于Ka频段微波单片集成电路(MMIC)自身的功率限制，必须进行大规模芯片合成，这又给合成效率和散热带来极大的压力。
为适应高功率、高合成效率、高效散热和小型化的未来需求，可通过双面探针(波导微带转换)实现小型化要求，尽力减小各级波导合成器尺寸和减少波导接口数量来降低损耗，通过结构和散热一体化设计达到高效导热和散热的目的。
本文采用一种新颖的非二进制合成器结构，实现大规模功率合成以及合理的热设计，有效规避了二进制结构采用256路结构而导致不必要的输出功率偏高的弊端，不仅缩小了整机体积、减小了供电功率、提高了合成效率，而且大大减轻了散热压力。
整机采用12路合成的方案，合成器采用BJ320波导结构。
毫米波400 W固态功放的方案组成框图如图1所示。
主要组成部分包括：驱动与监控模块、末级模块、2分路器/合成器、2分路器/合成器、微波组件、分布式供电电源和冷却装置以及各种对外接口等。
ku波段pdro的设计与实现
Keyword: DRO PDRO Low phase noise Third-order PLL
IV
Abstract目录V Nhomakorabea目录
摘 要................................................................................................................................I Abstract ........................................................................................................................... III 目 录.............................................................................................................................. V 第一章 绪 论...............................................................................................................1
直升机飞行控制系统横侧向增稳控制律设计
78 | 电子制作 2021年01月困难。
故需要设计增稳控制律，借助于飞行控制系统，使直升机在飞行包线内满足飞行品质要求[2]。
文章中，直升机横侧向通道控制律设计要求是，在如图1所示飞行包线内选定的18个设计节点处，倾斜通道、航向通道均满足如下动态品质要求：(1)倾斜通道：操作驾驶杆，使直升机产生±25º的倾斜角变化后松杆，直升机回到原平衡状态的调节时间5s s t ≤，超调量σ%≤10%。
(2)航向通道：给定±5º的航向阶跃指令，直升机稳定在新航向上的调节时间5s s t ≤，超调量σ%≤25%。
图1 飞行包线示意图1 横侧向控制系统描述直升机横侧向控制系统结构图如图2所示。
图中所示直升机的状态向量Tv ϕϕψψ= x 中的分量依次为倾斜角、倾斜角速度、偏航角、偏航角速度和侧向速度，其中前四个状态可测。
输入Tg g ϕψ = u 中的分量分别为给定倾斜角和给定偏航角。
倾斜通道、航向通道均采图2 直升机横侧向控制系统结构图图2中的两个一阶环节分别是倾斜通道和航向通道助力器的传递函数。
可以分别导出倾斜通道和航向通道助力器的微分方程：1A A A gA A A A k k k k k k Aic Aic T T T T ϕϕϕϕϕϕ=−−−+ 1rc rc g k k k k k k T T T T δδδψψψδδδδδψψδψ=−−−+ 将横向周期变距Aic 、尾桨桨距rc δ扩充为新的状态变量，可以导出扩充后直升机横侧向系统的状态方程。
将可测量的4个状态作为输出T []ϕϕψψ=y ，可以得到相应系统闭环状态方程：cb cb cb =+ = xA xB u yC x(1)其中，状态向量T []rc vAic ϕϕψψδ=x ，输入为Tg g ϕψ = u 。
b A c 、b B c 、cb C 是适当维数的矩阵。
根据引言中对系统动态性能要求，可以分别确定倾斜、航向通道分别满足要求的系统闭环极点的分布范围为：倾斜通道： min min 0.591=(53.8)1.184n ϕϕϕξξβωω≥≤°≥=(2)航向通道： 0.404(66.17)1.734n ψψψξβω≥≤°≥ (3)2 倾斜通道控制律设计式(2)规定了满足要求的倾斜运动极点1,2d nd j s ξω=−±www�ele169�com | 79自动化技术nd nd ω±的分布范围，这在s 平面相应确定了一个扇形3中灰色实线所描绘。
微波功率放大器发展探讨
微波功率放大器发展探讨摘要：微波功率放大器主要分为真空和固态两种形式。
本文将对两种器件以及它们竞争与融合的产物——微波功率模块（MPM）的发展情况作一介绍与分析。
关键词：微波功率放大器；发展0引言微波功率放大器主要分为真空和固态两种形式。
基于真空器件的功率放大器，曾在军事装备的发展史上扮演过重要角色，而且由于其功率与效率的优势，现在仍广泛应用于雷达、通信、电子对抗等领域。
后随着GaAs晶体管的问世，固态器件开始在低频段替代真空管，尤其是随着GaN，SiC等新材料的应用，固态器件的竞争力已大幅提高。
1 真空放大器件研究与应用现状跟固态器件相比，真空器件的主要优点是工作频率高、频带宽、功率大、效率高，主要缺点是体积和质量均较大。
真空器件主要包括行波管、磁控管和速调管，它们具有各自的优势，应用于不同的领域。
其中，行波管主要优势为频带宽，速调管主要优势为功率大，磁控管主要优势为效率高。
行波管应用最为广泛，因此本文主要以行波管为例介绍真空器件。
随着技术的不断进步，现阶段行波管主要呈现以下特点。
一是高频率、宽带、高效率的特点，可有效减小系统的体积、重量、功耗和热耗，在星载、弹载、机载等平台上适应性更强，从而在军事应用上优势突出。
二是耐高温特性，使行波管的功率和相位随着温度的变化波动微小，对系统的环境控制要求大大降低。
三是抗强电磁干扰和攻击特性，使其在高功率微波武器和微波弹的对抗中显示出坚实的生存能力。
四是寿命大幅提高，统计研究显示，大功率行波管使用寿命普遍大于5 000 h，中小功率产品寿命大于10 000 h，达到武器全寿命周期。
1.1 行波管有源组阵技术国外近几年主要在更高频段发展一系列的小型化行波管，频段覆盖X，Ku，K，Ka，140 GHz等，并不断在新技术上获得突破。
国内经过近10多年的努力，行波管在保持大功率和高效率的前提下，体积减小了1个数量级，为有源组阵技术奠定了良好的基础。
行波管有源组阵的形式分为单元放大式和子阵放大式两种。
Ku波段上变频组件的设计
雷达 与对 抗
２００６年 第 ４期
２４Ｏｎｌｌｎ ×９５ｍｍ ×３５ ｍｍ ＳＭＡ＿５０Ｋ ± １２Ｖ
一 ４５℃ 一 ＋７Ｏ℃
到了预期设计 的 目标 。
３ 低相 噪源 的设 计
低相噪源的关键指标为相位噪声 ，采用常规 ＦＥＴ
基波倍频至 Ｋｕ波侣段¨侣，再住¨通 过９ ８滤７波６器５ ４取３出２１工Ｏ作 频 率。
这种方案的优势在于振荡器起振容易 ，而且在 ｘ波段
用 Ｓｉ三极管作为振荡器件 比常规 ＦＥＴ的相位 噪声要
好十几个分 贝，去除倍频 的相位噪声损失（６ｄＢ），用倍
频的方式在 Ｋｕ波段 相位噪声要 比直接起振 小 １０ｄＢ
２ 原理 框 图和设计要求
组件的原理框图如图 １。 根据原理框 图，组件是 由本振部 分、主振部分 和 ＳＡＷ —ＶＣＯ组成 ，本振部分是 由 Ｋｕ波段介质振荡器 经 功率 放 大 器 放 大输 出 ；主振 部 分 是 由本 振 源 和 ＳＡＷ—ＶＣＯ上变频而来 ，其中 ＳＡＷ—ＶＣＯ的振荡频率为 ６０ＭＨｚ。本振部分的核心是 Ｋｕ波段介质振荡器 ，主振 部分的核心是上变频器和滤波器。
直接振荡 的方案 ，振荡源 的相位噪声在 一８５ｄＢｃ／Ｈｚ／
１０ｋＨｚ左右 ，虽达到要求 ，但是调试 比较 困难且高低温
下易停振 。立足于今后的批量生产 ，直接起振 的方案
’
不可 取 。
图 ２ 基 波振 荡的 输入反 射 系数
最终采用的是硅管倍频方案 ，即用 Ｓｉ三极管作为
振荡器件 ，首先振 荡在 Ｘ波段 。然后通 过倍 频放大将
信号与本振信号 变频到ｆｏ一６０ＭＨｚ。由组件的电路
Ku波段高速宽带射频通信系统设计
Ku波段高速宽带射频通信系统设计
当今的信息大爆炸时代，媒质承载的信息量越来越大，特别是高清多媒体视频流，对信息传输的实时性要求越来越高，这些需求促使信息传输速率逐步攀升，现阶段无线通信技术蓬勃发展，LTE、5G技术接踵而至。
由香农定理我们可知，无线通信的速率与信道带宽相互关联，带宽越宽，速率就越高，容量也就越大。
而在VHF、UHF、L、S 等较低频段，频谱资源拥挤，可用带宽有限，因此向更高的频段发展，以获得更宽的信道带宽，是未来通信系统发展的必然趋势。
1、系统方案设计
本文提出的Ku波段高速宽带射频通信系统利用波束赋形技术，用呈90°分布的4面阵列天线覆盖全360°范围，每面阵列天线由4列阵元组成，分别连接4个TR组件，经幅度及相位加权后汇集到同1路变频通道，组成4*4 射频MIMO系统。
公共资源及上层管理全部集中到中央单元，以方便互联。
在车载型结构中，中央单元通过连接器与各TR组件相连，以信令交互进行控制，各TR组件具有独立的基带处理单元，也可将数字中频送到中央处理器集中处理（实现空间分集），总体框图如下图1所示。
图1、系统总体框图
与传统的单收单发系统相比，本系统方案基于军事战术应用抗干扰、保密、高速、大容量、自适应的整体需求，综合考量Ku波段信号自身波长短，方向性较强、传输损耗大等不利因素，采用了主流的OFDM调制技术，使得系统的抗干扰能力更强，同时可以获得较高的频谱利用率；采用了MIMO及智能天线技术，合理利用波束分集和天线空间复用的性能，使得系统能够尽可能地支持多用户，多方向、自适应的大容量数据传输的前提下，可以有效
抵抗信号传输过程中多径衰落对系统性能造成的影响。
系统的初步布局如下图2所示：
图2、系统初步布局图。
Ku波段高线性度DRO的设计
Ku波段高线性度DRO的设计
彭文峰;廖佳;于小军
【期刊名称】《电子工程师》
【年(卷),期】2002(28)12
【摘要】在 Ansoft非线性电路设计软件 Serenade支持下 ,通过变容管的选取 ,输出端的优化匹配 ,设计了一中心频率为 18GHz的高线性度的场效应管介质谐振器稳频振荡器。
测试结果表明 ,此振荡器具有非常好的线性度和很低的相位噪声 ,可以为微波锁相环路提供高品质的 DRO。
【总页数】4页(P55-57)
【关键词】Ku波段;高线性度;DRO;介质谐振器;变容二极管;振荡器;参数计算;噪声【作者】彭文峰;廖佳;于小军
【作者单位】南京理工大学电光学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN752.5
【相关文献】
1.一种高隔离度Ku波段双频双极化微带天线阵 [J], 徐烨;梁仙灵;王文智;叶声;陈振宁;耿军平;金荣洪
2.基于波导合成高效高集成度 Ku 波段发射机 [J], 樊锡元;范宇;沈项东;杨柳彬
3.高线性高输出功率Ku波段GaAsFET [J], 陈裕权;
4.对Ku波段200 W高线性固态功放的研制 [J], 周二风
5.高稳定度中功率C波段耿氏DRO [J], 谢家德
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- 24 -电子与第11卷第4期
Ku波段600W固态合成功放设计吴礼群，蔡 昱，成海峰，徐建华，任 重（南京电子器件研究所微波与毫米波专用模块电路研发部，南京 210016）
摘 要：文章介绍了一种Ku波段600W固态合成功率放大器的工程实现。根据工程应用的实际要求，该固态功率放大器采用多芯片多级合成，每级功率合成采用了不同的合成方式。其中芯片级合成选择了微带合成方式，模块级合成选择了多腔体空间耦合合成结构，组件级合成选择了波导合成方式。固放以6.5W的MMIC功放单片为基本单元，共采用了128个功放单片合成出大于600W的脉冲峰值功率，功率附加效率高达18.5％，并具有脉冲速度快、频谱纯净、体积小、可靠性高、工程上容易实现等优点。关键词：固态功率放大器；空间功率合成；MMIC中图分类号：TN402 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2011）04-0024-04
A Design of a Ku-band 600W Solid-state Power AmplifierWU Li-qun, CAI Yu, CHENG Hai-feng, XU Jian-hua, REN Zhong（Department of MW & MMW special module circuit development, Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing 210016, China）
Abstract: This paper shows an engineering application of a 600W Ku-band SSPA(Solid-State Power Amplifier).Multi-chips combining technique was used in this SSPA. To meet the engineering request of the product,different combining structures were used on different levels. The 6.5W MMIC amplifier was the core of theSSPA, and 600W peak power was got by 128 chips combined with the PAE of 18.5%. It also has the characteristicof speedy pulse ,pure spectrum and small size.Key words: solid-state power amplifier; spatial combining; MMIC
收稿日期：2011-03-30
电 路 设 计第11卷，第4期Vol．11，No．4
电子与封装
ELECTRONICS & PACKAGING总 第96期
2011年4月
1 引言在微波应用系统中，系统发射功率的大小在一定程度上决定了整个系统的作用距离和抗干扰能力。过去50年里，获得大功率输出的方式几乎只有使用行波管（Traveling-WaveTube）等电真空放大器。随着微波固态器件的发展，其较低的直流电压、较高的可靠性、较为紧凑的电路结构、小尺寸及轻重量等优点备受人们的青睐，其应用也日益广泛。因而在近年来，随着半导体工艺水平的不断提高，采用GaAs材料的微波单片集成电路（MMIC）被广泛应用，运用基于MMIC的微波功率合成的方法，即通过组合若干个相干工作单元，叠加各个单元电路的输出功率，就成为提高微波发射系统功率的一种可行的技术方案 [1]。相比行波管放大器，固态功率放大器在使用寿命、工作电压、可靠性上都有明显的优势。本文介绍了一种Ku波段固态功率放大器的工程实现，以南京电子器件研究所生产的Ku波段6.5WMMIC大功率芯片为核心，通过128路合成结构，得到峰值功率大于600W，效率大于18.5%。- 25 -
第11卷第4期2 设计过程目前学术界已经发表了大量关于多芯片功率合成的论文[1]，提出了各种各样的功率合成结构，其中很大一部分仍处于实验室阶段。本文立足于工程应用，针对固态功率放大器实际的使用要求，提出了一种合成路数多、效率高、体积小、可靠性好的合成方案。图1是本设计的结构框图，根据单个芯片的功率输出情况以及整体高功率输出的设计要求。设计决定采用多级合成的方式，针对不同的合成阶段采用适合的合成结构，在实现功率合成的同时兼顾可靠性、体积等多方面的性能要求。其基本的合成思路是先通过芯片级合成将芯片进行第一步的合成，再将8个功率单元模块合成80W，最终采用8路波导合成器合成600W的功率输出。具体各级合成采用的合成结构以及特点将在下面详述。
图1 Ku波段大功率固态放大器原理框图
图2 80W组件合成框图
2.1 芯片级合成MMIC芯片是固态功率放大器的核心，本设计采用的MMIC功率芯片是南京电子器件研究所研发生产的Ku波段6.5W MMIC功放，采用0.25μm功率PHEMT工艺制作。该款芯片的主要指标如下：频率范围：15 GHz～18GHz ；典型输出功率：38dBm；典型小信号增益：27dB；典型功率增益：24dB；典型效率：26%。本级合成的主要目的有二：（1）实现初步合成，制作功率单元模块。本级合成采用的结构为微带方式实现两芯片合成，可选用的合成方案有Lange桥和威尔金森功分/功合器，结构框图如图2所示。这是两种非常传统的合成方式，其优点是体积小、结构紧凑，其最大的缺点就是只能用于小路数合成。图3 Wilkinson功分网络电路图及仿真结果（2）实现芯片的气密封装。在第一级采用微带方式合成的主要目的是为了实现封装。固态功率放大器作为发射机，是微波系统的核心器件，可以用于地面、机载、弹载、星载等各种系统，因此固态放大器需要适应各类环境条件。为了满足环境条件的要求，提高可靠性，芯片必须进行气密封装。采用两芯片微带合成的方式实现第一级的合成，并在这一级将模块进行气密封装，制作出第一级的功率单元模块。图3是两芯片合成所采用的Wilkinson功分网络的电路图及仿真结果。吴礼群，蔡 昱，成海峰，等：Ku波段600W固态合成功放设计从仿真的结果来看，该功分网络的插入损耗＜- 26 -
电子与封装第11卷第4期
图4 功率模块测试曲线图5 两路空间耦合合成结构图6 两路空间耦合合成结构仿真结果
2.2 模块级合成模块级合成以上述的功率单元模块为基础，通过多腔体空间耦合合成结构将8个上述单元模块合成80W功率组件。在本级合成中使用了8路多腔体空间耦合合成结构，该结构是基于已有的探针耦合模型[4]改进得到的。下面将以其基本结构——两路空间耦合合成结构为例子进行具体介绍。图5是两路空间耦合合成结构的模型图，该结构实现了功率的两路合成，同时也实现了从输入微带到输出波导的转换。图6是该结构的仿真结果，该二合一的结构损耗小于0.15dB，并且可以提供良好的输出驻波。在本级采用空间耦合合成结构的原因有两点：（1）体积小。在实际产品的研制中，体积是一个很重要的指标，任务往往要求我们在最小的体积内实现最大的功率输出，所以必须选择一种体积小的合成结构。第二级合成是本固放中最主要的一次合成。在这一步选择较小的合成结构直接影响到总体体积。我们可以看到，以上述两路合成结构为例，在波导长边距离的范围内实现两路合成，比其他的合成结构具有明显的体积优势。（2）实现微带到波导的转化。我们可以看到第一级的合成是微带合成，所以第一级制作的功率单元模块也是以微带的形式输出。当完成第二级8路合成以后，输出功率将大于80W，在下一级合成更将会实现600W，已经不再适合以微带的方式传输，必须转变为波导形式。而我们这里采用的空间耦合合成结构既实现了功率的合成，更实现了微带到波导的转化，为下一步的合成提供了基础。本级合成以上述两路合成结构为基本单元，以多腔体的方式最终实现8路合成，制作完成80W功率组件。图7为该80W功率组件的实物照片。
图7 80W模块照片
图8 80W功率组件测试数据
0.2dB。在芯片级的合成中输入输出采用同样的结构，可以保证相位的一致性，获得更高的合成效率。图4是该功率模块在漏电压为8.2V、栅电压为－0.6V、脉宽为25μs、占空比20％、输入功率为15dBm时测得的功率和漏电流的数据。该模块脉冲峰值功率为12W，电流在1.2A左右，增益26dB，效率26％。- 27 -第11卷第4期图8是在正压8V、负压－9V、脉宽25μs、占空比20％、输入功率29dBm的条件下测得的数据。可以看到输出脉冲峰值功率大于85W，电流8.5A，效率约为24％。2.3 组件级合成在模块级合成完成以后，我们已经得到了一个输出功率大于80W的功率组件，并且以波导形式输出。所以在这一级的合成中，我们选择了波导合成方式。波导合成器是最传统的一种合成形式，也已经有很多论文对其进行过分析[2]。波导合成器功率容量高、损耗小的优点是其他任何一种合成形式都无法相比的。作为最后一级合成，减小损耗、提高合成效率，对最后的功率输出起着决定性的作用。图9是两路波导合成器的模型图。该类合成器的损耗小于0.1dB。图9 两路波导合成器图10 Ku波段600W固态功放实物照片图11 600W固态功放测试数据最终采用8路波导合成器，将8个80W组件合成大于600W的功率输出。图10是该固放的实物照片，体积为290mm×260mm×100mm。在电压28V、脉宽25μs、占空比20％、输入功率29dBm的条件下的测试数据如图11 所示，功率大于600W，电流约24A，效率约为18.5%。3 结果分析本文介绍的固态功放采用了多种合成方式，分三级合成，以满足工程应用中的各类实际需要。芯片级合成采用了微带合成的方式，功率合成的同时实现了芯片的封装。所用芯片在连续波下的功率输出为6.5W，脉冲条件下可以输出7.5W。单元功率模块的输出功率为13.5W，可以计算得出合成器的损耗为0.5dB，两路微带合成器的合成效率为90％。模块级合成采用了多腔体空间耦合合成的方式，是一种体积小、效率高的合成结构，以波导形式输出。单个功率单元模块功率12W，8路合成实现功率输出大于85W，可以算得合成器损耗为0.53dB，合成效率88.5％。组件级合成采用波导形式，其主要目的是为了减小损耗、提高效率。最终实现最高峰值640W，合成效率为95％，8路波导合成器的损耗为0.2dB。由于最终的固放采用28V电源，所以在固放内部进行了二次电源的变换。电源模块的转换效率为80％，最终整个固放的功率附加效率（PAE）为18.5%。