劉立浩，王 雷，薛 騰

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

在微波/毫米波衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)作為發(fā)射鏈路中的核心設(shè)備[1]，其發(fā)射功率的大小直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的作用距離、抗干擾能力和通信質(zhì)量[2]。目前，發(fā)射機(jī)中多采用砷化鎵(GaAs)功率放大器芯片，但GaAs熱阻高、擊穿電壓小的缺點(diǎn)限制了其在高電壓及高功率方向的應(yīng)用，GaAs器件經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其性能已經(jīng)達(dá)到了極限。氮化鎵(GaN)作為第三代半導(dǎo)體材料，是高頻、高壓、高溫和大功率應(yīng)用的優(yōu)良半導(dǎo)體材料，能滿足下一代電子裝備對功率器件更高頻率、更大功率、更小體積和更高溫度工作的要求[3]。因此，采用GaN功放芯片進(jìn)行功率合成已成為當(dāng)前固態(tài)功率合成的重要發(fā)展方向[4]。

使用國產(chǎn)Ku頻段35 W GaN功放芯片，采用一種改進(jìn)型波導(dǎo)E-T結(jié)和波導(dǎo)—微帶探針過渡相結(jié)合的新型四路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，研制出Ku頻段135 W(即51.3 dBm)GaN功放模塊，基于該功放模塊，成功研制了Ku頻段100 W發(fā)射機(jī)。發(fā)射機(jī)整機(jī)采用三明治疊層結(jié)構(gòu)，功率合成模塊與電源模塊共用散熱器，有效地減小了整機(jī)體積和重量。

1 整機(jī)方案設(shè)計(jì)

Ku頻段100 W發(fā)射機(jī)主要由上變頻模塊[5]、驅(qū)動放大器、功率合成模塊、耦合器、檢波器、監(jiān)控單元、電源模塊、電源濾波器和風(fēng)機(jī)等部分組成，整機(jī)組成如圖1所示。10 MHz參考信號和C頻段中頻信號的合路信號進(jìn)入Ku頻段100 W發(fā)射機(jī)，首先進(jìn)入上變頻模塊，模塊將10 MHz參考信號和中頻信號分離，之后將中頻信號上變頻為Ku頻段信號，并提供一定的增益，在上變頻模塊中內(nèi)置了衰減器芯片用于整機(jī)增益的調(diào)節(jié)；然后Ku頻段信號依次進(jìn)入驅(qū)動放大器和功率合成模塊，進(jìn)行功率放大；最終Ku頻段信號經(jīng)波導(dǎo)耦合器的主路輸出。

圖1 Ku頻段100 W發(fā)射機(jī)組成框圖Fig.1 Block diagram of Ku-band 100 W Transmitter

監(jiān)控單元負(fù)責(zé)采集各模塊的狀態(tài)信息，經(jīng)過處理后，以LAN接口形式輸出到監(jiān)控網(wǎng)口，控制上變頻模塊中衰減器的衰減量和電源模塊的通斷，當(dāng)發(fā)射機(jī)出現(xiàn)本振失鎖或過溫時(shí)，監(jiān)控單元可關(guān)斷功率合成模塊的供電，使功放停止工作，防止功放模塊損壞，并避免非正常信號發(fā)射干擾其它信道；電源模塊為各模塊提供直流供電；風(fēng)機(jī)將各模塊傳導(dǎo)到散熱翅片的大量熱量導(dǎo)出，使整機(jī)溫度維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍。

2 理論分析與軟件仿真

2.1 功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和仿真

多路功率合成的效率是決定整個(gè)功率合成模塊成敗的關(guān)鍵因素[6]。在Ku頻段，如采用微帶形式合成，介質(zhì)損耗較大[7]，合成損耗隨合成級數(shù)的增加而疊加，合成效率較低[8]，因此Ku頻段高效大功率合成多采用基于波導(dǎo)的空間功率合成方式實(shí)現(xiàn)[9]。下面對功率合成模塊中的功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行理論分析與軟件仿真。

2.1.1 改進(jìn)型波導(dǎo)E-T結(jié)設(shè)計(jì)

波導(dǎo)T型結(jié)是一個(gè)簡單的三端口網(wǎng)絡(luò)，可以用于功率分配或功率合成。波導(dǎo)T型結(jié)示意如圖2所示。

圖2 波導(dǎo)T型結(jié)示意Fig.2 The model of waveguide T junction

常用的波導(dǎo)T型結(jié)可分為H面T型結(jié)(H-T結(jié))和E面T型結(jié)(E-T結(jié))[10]，其中E-T結(jié)更適合作為固態(tài)功率合成器的基本功分/合成單元[11]。波導(dǎo)E-T結(jié)為三端口無耗器件，這種三端口網(wǎng)絡(luò)無法實(shí)現(xiàn)3個(gè)端口的同時(shí)匹配。如果以S11最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)，折中端口回波損耗和端口間隔離，可得到三端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)理想值為：

(1)

由能量守恒定律可得：

|S22|2+|S23|2+0.5=1，

(2)

|S22|=|S33|=|S32|=|S23|=-6 dB 。

(3)

由式(3)可知，波導(dǎo)E-T結(jié)的端口2和端口3典型回波損耗為-6 dB，隔離度為-6 dB[12]。實(shí)際應(yīng)用中，波導(dǎo)E-T結(jié)輸出端口間的低隔離度會使各合成支路的信號相互影響較大，如果一個(gè)合成支路的功放芯片損壞，由于信號串?dāng)_將使總輸出功率嚴(yán)重惡化，進(jìn)而影響整機(jī)工作穩(wěn)定度[13]。

基于以上原因，研制了一種改進(jìn)型波導(dǎo)E-T結(jié)(加載電阻膜片的漸變波導(dǎo)E-T結(jié))，克服了傳統(tǒng)波導(dǎo)E-T結(jié)的缺點(diǎn)。改進(jìn)型波導(dǎo)E-T結(jié)通過在中心H面加入電阻膜片這種有耗材料來改善端口間的隔離度和匹配特性。電阻膜片在0.254 mm厚的陶瓷基板上雙面濺射薄膜電阻制成。同時(shí)，為了改善E-T結(jié)的輸入端口駐波和拓寬頻率范圍[14]，在輸入端口加入了波導(dǎo)漸變結(jié)構(gòu)[15]。改進(jìn)型波導(dǎo)E-T結(jié)三維模型如圖3(a)所示，仿真結(jié)果如圖3(b)所示。

圖3 改進(jìn)型波導(dǎo)E-T結(jié)Fig.3 Improved waveguide E-plane T-junction

由圖3可以看出，在13.5～15 GHz范圍內(nèi)，改進(jìn)型波導(dǎo)E-T結(jié)具有低插入損耗、等功率分配的特性，輸入端口1的回波損耗優(yōu)于-25 dB，輸出端口2和3之間的隔離度優(yōu)于-20 dB。從仿真結(jié)果來看，該結(jié)構(gòu)有效的解決了傳統(tǒng)波導(dǎo)E-T結(jié)三端口無法同時(shí)匹配和2個(gè)輸出端口隔離度差的問題。

2.1.2 四路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[16-17]介紹了波導(dǎo)—微帶探針過渡的理論分析和軟件仿真。將改進(jìn)型波導(dǎo)E-T結(jié)和波導(dǎo)—微帶探針過渡相結(jié)合，組成了一種新型四路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)。其結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 四路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型Fig.4 The 3D model of four-way divider/combiner

經(jīng)軟件仿真，該四路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)在13.5～15 GHz范圍內(nèi)，插入損耗小于0.2 dB，回波損耗優(yōu)于-18 dB，并具有良好的幅度和相位一致性。

基于微組裝工藝，使用四片國產(chǎn)Ku頻段35 W GaN功放芯片通過該四路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功率合成，最終實(shí)現(xiàn)了Ku頻段135 W(即51.3 dBm)功率合成模塊，合成效率高達(dá)96%。

2.2 結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計(jì)

Ku頻段100 W發(fā)射機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，上變頻模塊、驅(qū)動放大器、功率合成模塊、耦合器、檢波器、監(jiān)控單元、電源模塊、電源濾波器和風(fēng)機(jī)都作為一個(gè)模塊獨(dú)立存在，各模塊單獨(dú)調(diào)試和測試完成之后裝入機(jī)箱，通過接插件相互連接，減少了操作環(huán)節(jié)，具有操作方便、性能可靠的優(yōu)點(diǎn)。

該發(fā)射機(jī)的功率合成模塊采用了大功率GaN芯片，合成路數(shù)進(jìn)一步減少，大大地減小了功率合成模塊的體積；同時(shí)，在機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用三明治結(jié)構(gòu)，功率合成模塊和電源模塊2個(gè)熱源體共用散熱器，有效地減小了整機(jī)體積和重量。

發(fā)射機(jī)是系統(tǒng)中的大功率設(shè)備，其可靠性在很大程度上依賴于機(jī)箱結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)，良好的熱設(shè)計(jì)可以有效地保障發(fā)射機(jī)在惡劣環(huán)境溫度下正常工作；反之，不良的熱設(shè)計(jì)將導(dǎo)致發(fā)射機(jī)內(nèi)部熱量在某一區(qū)域內(nèi)積聚，使個(gè)別關(guān)鍵部件因散熱不暢而失效。熱設(shè)計(jì)的原則是在熱源及耗散空間之間建立一條低熱阻的通道，使發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的熱量在盡可能短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)出，發(fā)射機(jī)能保持在較低溫度的熱平衡狀態(tài)[18]。

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，該發(fā)射機(jī)采用空氣強(qiáng)迫對流冷卻方式進(jìn)行散熱，主要從以下3個(gè)方面對機(jī)箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化仿真：

① 散熱翅片的厚度與間隔：在散熱翅片長度和高度固定的情況下，通過優(yōu)化翅片的厚度與間隔，選擇最佳組合使散熱效果達(dá)到最佳；

② 導(dǎo)熱材料：功率合成模塊與機(jī)箱之間硬接觸，會形成空氣膜，造成很大的熱阻，需要添加良好的導(dǎo)熱材料，通過優(yōu)化導(dǎo)熱材料的厚度及熱導(dǎo)率，選擇最佳導(dǎo)熱材料；

③ 預(yù)埋熱管：在功率合成模塊與發(fā)射機(jī)機(jī)箱的接觸面焊接熱管，使功率合成模塊產(chǎn)生的熱量迅速且均勻地傳導(dǎo)至機(jī)箱，通過優(yōu)化仿真熱管的數(shù)量及間隔，使整機(jī)達(dá)到最佳的散熱效果。

通過優(yōu)化仿真，最終選擇機(jī)箱翅片厚度為1 mm，間隔2 mm，導(dǎo)熱材料為0.2 mm厚的石墨均溫片，機(jī)箱預(yù)埋8根熱管。

在上述參數(shù)固定后，使用Icepak軟件對整機(jī)進(jìn)行熱仿真，將整機(jī)所處環(huán)境溫度設(shè)置為60℃。根據(jù)芯片手冊，每個(gè)芯片的耗散功率為79 W。熱仿真結(jié)果如圖5所示，芯片底部載體溫度最高為129.754℃。

芯片溝道溫度計(jì)算公式如下：

Tch=Tbase+Pd×θjc，

(4)

式中，Tch為芯片溝道溫度；Tbase為芯片底部載體溫度；Pd為芯片耗散功率；θjc為芯片熱阻。

根據(jù)芯片手冊，芯片熱阻為1.13℃/W。由式(4)計(jì)算得到芯片溝道溫度為219℃，遠(yuǎn)低于GaN芯片的最高溝道溫度275℃，可保證設(shè)備穩(wěn)定可靠工作[19]。

圖5 發(fā)射機(jī)熱仿真結(jié)果Fig.5 Thermal analysis results of the transmitter

3 測試結(jié)果

在解決上述關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，最終研制出了Ku頻段100 W GaN發(fā)射機(jī)，該發(fā)射機(jī)充分考慮了實(shí)際工程應(yīng)用和產(chǎn)品化設(shè)計(jì)，整機(jī)外形如圖6所示。根據(jù)系統(tǒng)需要，供電方式220 V交流或28 V直流可選；整機(jī)配備了標(biāo)準(zhǔn)的輸入接口、輸出接口、射頻采樣口、監(jiān)控網(wǎng)口和CAN口等。

圖6 Ku頻段100 W氮化鎵發(fā)射機(jī)外形Fig.6 Photograph of Ku-band 100 W Ga Ntransmitter

對Ku頻段100 W GaN發(fā)射機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了全面測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 發(fā)射機(jī)指標(biāo)
Tab.1 Specifications of the transmitter

測試項(xiàng)目指標(biāo)輸入頻率范圍/GHz2.85～3.6輸出頻率范圍/GHz13.75～14.5輸出功率/dBm≥51增益/dB70±2增益平坦度/dB≤3(750 MHz帶內(nèi))輸出雜散/dBc≤-60三階互調(diào)/dBc≤-25(額定總功率回退3 dB)相位噪聲/dBc·Hz-1≤-70 @100 Hz;≤-80 @1 kHz;≤-90 @10 kHz;≤-100 @100 kHz體積/mm3245×165×144重量/Kg7.5

測試結(jié)果表明，該發(fā)射機(jī)相位噪聲指標(biāo)優(yōu)良，輸出功率大于51 dBm(即126 W)，整機(jī)功率合成效率大于91%，三階互調(diào)優(yōu)于-25 dBc。該產(chǎn)品性能指標(biāo)優(yōu)良，整機(jī)體積和重量較小，具有很強(qiáng)的市場競爭力。

4 結(jié)束語

提出了一種新型四路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，基于國產(chǎn)35 W GaN功放芯片，成功研制了Ku頻段100 W GaN發(fā)射機(jī)，測試結(jié)果表明該產(chǎn)品性能指標(biāo)優(yōu)良。該發(fā)射機(jī)充分考慮了實(shí)際工程應(yīng)用和產(chǎn)品化設(shè)計(jì)，具有體積小、重量輕、散熱好、可靠性高和易于批產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。該發(fā)射機(jī)已進(jìn)行了多批次生產(chǎn)，經(jīng)過高低溫、振動、沖擊、淋雨和濕熱等各項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)考核，工作穩(wěn)定可靠，可應(yīng)用于固定站、車載站、艦載站和機(jī)載站等多種衛(wèi)星通信系統(tǒng)站型中，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。