毫米波400 W連續(xù)波固態(tài)功放設(shè)計(jì)

李新勝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047)

毫米波400 W連續(xù)波固態(tài)功放設(shè)計(jì)

李新勝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047)

針對(duì)未來深空測(cè)控及其他航天器的測(cè)控通信需求，提出了一種基于單片微波集成電路(MMIC)的新穎高效2×6路結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)功率合成方案。利用三維電磁場(chǎng)軟件HFSS 建模仿真，并以此為基礎(chǔ)研制了38 W功放模塊和功率合成器。通過模塊化設(shè)計(jì)、分布式散熱和結(jié)構(gòu)一體化等多種技術(shù)措施，設(shè)計(jì)的毫米波固態(tài)功放實(shí)現(xiàn)了192路芯片高效率合成。測(cè)試結(jié)果表明，在1 GHz帶寬內(nèi)輸出P1dB功率達(dá)到400 W(連續(xù)波)，合成效率達(dá)到80%以上，散熱效果理想，設(shè)備穩(wěn)定。

Ka頻段；連續(xù)波；固態(tài)功放；合成器；合成效率；熱設(shè)計(jì)

0 引言

由于Ka頻段測(cè)控系統(tǒng)在信噪比、帶寬和抗干擾能力等方面的先天優(yōu)越性，未來深空探測(cè)任務(wù)的上行工作頻段將逐漸從目前的S頻段、X頻段向Ka頻段方向過渡、發(fā)展。但由于Ka頻段微波單片集成電路(MMIC)自身的功率限制，必須進(jìn)行大規(guī)模芯片合成，這又給合成效率和散熱帶來極大的壓力。為適應(yīng)高功率、高合成效率、高效散熱和小型化的未來需求，可通過雙面探針(波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換)實(shí)現(xiàn)小型化要求，盡力減小各級(jí)波導(dǎo)合成器尺寸和減少波導(dǎo)接口數(shù)量來降低損耗，通過結(jié)構(gòu)和散熱一體化設(shè)計(jì)達(dá)到高效導(dǎo)熱和散熱的目的。

本文采用一種新穎的非二進(jìn)制合成器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模功率合成以及合理的熱設(shè)計(jì)，有效規(guī)避了二進(jìn)制結(jié)構(gòu)采用256路結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致不必要的輸出功率偏高的弊端，不僅縮小了整機(jī)體積、減小了供電功率、提高了合成效率，而且大大減輕了散熱壓力。

1 總體設(shè)計(jì)方案

整機(jī)采用12路合成的方案，合成器采用BJ320波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。毫米波400 W固態(tài)功放的方案組成框圖如圖1所示。

圖1 毫米波400 W固態(tài)功放的方案組成

主要組成部分包括：驅(qū)動(dòng)與監(jiān)控模塊、末級(jí)模塊、2分路器/合成器、2分路器/合成器、微波組件、分布式供電電源和冷卻裝置以及各種對(duì)外接口等。

信號(hào)首先送到驅(qū)動(dòng)與監(jiān)控模塊，該模塊主要完成信號(hào)放大、功率/增益調(diào)節(jié)、線性化[1]、射頻信號(hào)開關(guān)等功能。放大后的信號(hào)送至2分路器、6分路器，再分別送給各對(duì)應(yīng)的末級(jí)功放模塊。末級(jí)功放模塊主要完成功率放大，并通過一定的設(shè)計(jì)冗余和工藝技術(shù)，最大限度地保證各模塊的相位和幅度一致性[2]，然后各末級(jí)功放模塊的大功率信號(hào)再送至功率6路合成器、2路合成器，最終12路功率信號(hào)進(jìn)行功率合成。由微波組件對(duì)高功率信號(hào)進(jìn)行耦合、檢測(cè)、饋送負(fù)載，最后功率輸出。

分布式穩(wěn)壓直流電源分別為各模塊獨(dú)立供電，有利于提高維修性和可靠性。液冷裝置也采用分布式設(shè)計(jì)安裝，分別對(duì)各模塊提供冷卻。

2 末級(jí)功放模塊

末級(jí)功放模塊是進(jìn)行功率合成的基礎(chǔ)單元，關(guān)鍵部分主要有波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換[3]、波導(dǎo)分路與合成器等。

為盡可能地縮小模塊乃至整機(jī)的體積，適應(yīng)小型化要求，波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換采用面對(duì)面雙探針形式，如圖2所示。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 雙探針結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)預(yù)計(jì)，每個(gè)末級(jí)功放模塊采用16路芯片合成，合成功率不小于38 W，且考慮功率較大、頻率較高以及合成的難度，在末級(jí)功放模塊內(nèi)的分路與合成器[4]采用了環(huán)形結(jié)構(gòu)[5]，以降低機(jī)械加工的難度，減輕功率容量方面的壓力。

根據(jù)仿真結(jié)果，16路分路/合成帶內(nèi)損耗為0.2 dB，如圖4所示，實(shí)測(cè)值約為0.6 dB。

根據(jù)芯片廠商提供的參數(shù)，芯片輸出P1 dB功率為2.5～2.6 W。經(jīng)16路芯片微組裝[6]，再進(jìn)行功率合成后，在34～35 GHz內(nèi)輸出功率高于38 W，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。末級(jí)功放模塊體積為200 mm×100 mm×20 mm。

圖3 波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換S參數(shù)仿真結(jié)果

圖4 16路分路/合成器仿真損耗

3 波導(dǎo)功率合成器

為實(shí)現(xiàn)輸出功率達(dá)到預(yù)定要求，方案選擇了一種非二進(jìn)制的合成方式，即采用2個(gè)基于魔T結(jié)構(gòu)[7]]的非二進(jìn)制6分路器[8]，共12路進(jìn)行功率合成。這樣可避免采用傳統(tǒng)二進(jìn)制的16路合成器[9]，既縮小了整機(jī)體積又節(jié)省了耗電功率、減輕了散熱壓力，而且節(jié)約了大量成本。

6路合成器結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，其外形結(jié)構(gòu)對(duì)稱，方便功率合成。整個(gè)帶寬內(nèi)插入損耗實(shí)際小于0.3 dB。帶內(nèi)損耗仿真結(jié)構(gòu)如圖6所示，各端口駐波滿足使用要求。

圖5 Ka頻段6分路器三維圖

圖6 Ka頻段6分路器帶內(nèi)損耗仿真結(jié)果

4 散熱設(shè)計(jì)

末級(jí)功放模塊的穩(wěn)定性和可靠性是系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，而熱設(shè)計(jì)[10]又直接影響設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。模塊內(nèi)部共由16個(gè)放大芯片組成，合理分布于模塊內(nèi)的2個(gè)面上。每個(gè)芯片的漏極電壓為6 V，在P1 dB時(shí)的電流約為3.5 A。因此直流功耗為21 W，輸出功率約2.5 W，所以耗散熱量為18.5 W。因此，每一面的發(fā)熱功率為18.5×8=148 W。

考慮留有一定的余量，每一個(gè)面的發(fā)熱功率按180 W來設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)。

通過對(duì)熱輻射和自然對(duì)流及強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱能力比較，都不滿足散熱的要求，為保證模塊正常工作，必須采用液體冷卻的方式。根據(jù)熱傳導(dǎo)的傳統(tǒng)公式：

Q=KAΔt/L，

式中，Q為傳導(dǎo)散熱量(W)；K為導(dǎo)熱系數(shù)，此時(shí)紫銅按360 W/m·℃計(jì)算；A為導(dǎo)體橫截面積(m2)；Δt為傳熱路徑兩端溫差(℃)；L為傳熱路徑的距離(m)。可計(jì)算芯片到模塊表面各個(gè)界面的溫差。根據(jù)計(jì)算，

① 從芯片的管芯到芯片的底部之間的溫差為82.84 ℃；

② 芯片與共晶載體之間AuSn的溫差為0.98 ℃；

③ 共晶載體的溫差為2.58 ℃；

④ 載體與紫銅盒體間焊料的溫差為1.16 ℃；

⑤ 紫銅盒體內(nèi)外面之間的溫差為3.61 ℃；

⑥ 盒體表面與散熱冷板之間的高導(dǎo)熱基片溫差為6.0 ℃。

由上述各界面的溫差可計(jì)算從芯片的溝道出溫度到散熱冷板的總溫差：

Δt總=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4+Δt5+Δt6=97.17 ℃。

當(dāng)芯片溝道溫度為150 ℃時(shí)，傳導(dǎo)到散熱器上的溫度為52.83 ℃。因此，為保證芯片的壽命甚至不被燒壞，對(duì)芯片的溝道溫度保護(hù)點(diǎn)應(yīng)留有一定的余量，這里設(shè)140 ℃為保護(hù)點(diǎn)溫度。當(dāng)芯片溝道溫度為140 ℃時(shí)，傳導(dǎo)到散熱器上的溫度為42.83 ℃。也就是末級(jí)功放模塊的外殼溫度不得超過該溫度，否則芯片壽命將急劇下降或芯片燒壞。

根據(jù)上述條件，通過合理設(shè)計(jì)散熱冷板的結(jié)構(gòu)和冷卻液的流量、壓力等，最終達(dá)到安全散熱的目的。

5 整機(jī)性能測(cè)試

該頻段采用的芯片P1 dB輸出功率為2.5～2.6 W，進(jìn)行192路芯片功率合成，包含大電流穩(wěn)壓電源、散熱冷板、監(jiān)控與控保等，整機(jī)體積為600 mm×550 mm×350 mm。最終連續(xù)波輸出P1 dB功率達(dá)到400 W以上，最高達(dá)450 W，芯片級(jí)合成效率大于80%，且可實(shí)現(xiàn)各類功能的控制和保護(hù)[11]。經(jīng)48 h滿功率考機(jī)，其穩(wěn)定性和可靠性得到進(jìn)一步驗(yàn)證。整機(jī)主要指標(biāo)參數(shù)比較[12-13]如表1所示。

表1 主要指標(biāo)參數(shù)比較

由表1可知，國(guó)內(nèi)目前在固態(tài)毫米波功放研究方面的技術(shù)水平不遜于國(guó)外。實(shí)測(cè)指標(biāo)一欄在工作頻率、輸出功率、合成路數(shù)和合成效率等指標(biāo)方面普遍高于目前已知的同類產(chǎn)品。

6 結(jié)束語

本文介紹了一種毫米波頻段400 W固態(tài)高功放的設(shè)計(jì)，通過對(duì)192路毫米波芯片的功率合成，采用高密度小型化的末級(jí)功放模塊、非二進(jìn)制的12路功率合成技術(shù)以及高效高功率導(dǎo)熱與散熱技術(shù)，使整機(jī)連續(xù)波P1 dB功率達(dá)到400 W以上。通過長(zhǎng)時(shí)間考機(jī)驗(yàn)證了功率穩(wěn)定性和散熱能力等功能指標(biāo)，滿足未來的需求。在未來工作中，將進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，尤其在大電流穩(wěn)壓電源和整機(jī)的體積方面還有較大的壓縮空間，這將為設(shè)備進(jìn)一步小型化提供支持。

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李新勝 男，(1981—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：高功率微波、毫米波技術(shù)、發(fā)射機(jī)。

Design of Millimeter-wave 400 W CW Solid State Power Amplifier

LI Xin-sheng

(The27thResearchInstituteofCETC,ZhengzhouHe’nan450047,China)

According to the requirement of measurement and control for deep space TT&C and other spacecraft in the future,a novel and efficient waveguide power combining scheme based on a MMIC with 2×6 structure is proposed.The 38 W power amplifier modules and power combiners are developed based on the three-dimensional electromagnetic field software HFSS modeling and simulation.Through modular design,distributed heat dissipation and structural integration and other technical measures,the millimeter-wave solid state power amplifier designed achieves a high efficiency of 192-way combining.Test results show that,in the bandwidth of 1 GHz,the outputP1dBpower reaches 400 W (CW),the combining efficiency reaches above 80%,the heat dissipation effect is ideal,and the equipment is stable.

Ka-band;continuous wave;solid state power amplifier;combiner;combining efficiency;thermal design

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.01.14

李新勝.毫米波400 W連續(xù)波固態(tài)功放設(shè)計(jì)[J].無線電工程,2017,47(1):59-61，70.

2016-10-28

TN73

A

1003-3106(2017)01-0059-03