Ku頻段100 W氮化鎵發射機設計

劉立浩，王 雷，薛 騰

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

在微波/毫米波衛星通信系統中，發射機作為發射鏈路中的核心設備[1]，其發射功率的大小直接決定著整個系統的作用距離、抗干擾能力和通信質量[2]。目前，發射機中多采用砷化鎵(GaAs)功率放大器芯片，但GaAs熱阻高、擊穿電壓小的缺點限制了其在高電壓及高功率方向的應用，GaAs器件經過幾十年的發展，其性能已經達到了極限。氮化鎵(GaN)作為第三代半導體材料，是高頻、高壓、高溫和大功率應用的優良半導體材料，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功放芯片進行功率合成已成為當前固態功率合成的重要發展方向[4]。

使用國產Ku頻段35 W GaN功放芯片，采用一種改進型波導E-T結和波導—微帶探針過渡相結合的新型四路功率分配/合成網絡，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發射機。發射機整機采用三明治疊層結構，功率合成模塊與電源模塊共用散熱器，有效地減小了整機體積和重量。

1 整機方案設計

Ku頻段100 W發射機主要由上變頻模塊[5]、驅動放大器、功率合成模塊、耦合器、檢波器、監控單元、電源模塊、電源濾波器和風機等部分組成，整機組成如圖1所示。10 MHz參考信號和C頻段中頻信號的合路信號進入Ku頻段100 W發射機，首先進入上變頻模塊，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，在上變頻模塊中內置了衰減器芯片用于整機增益的調節；然后Ku頻段信號依次進入驅動放大器和功率合成模塊，進行功率放大；最終Ku頻段信號經波導耦合器的主路輸出。

圖1 Ku頻段100 W發射機組成框圖Fig.1 Block diagram of Ku-band 100 W Transmitter

監控單元負責采集各模塊的狀態信息，經過處理后，以LAN接口形式輸出到監控網口，控制上變頻模塊中衰減器的衰減量和電源模塊的通斷，當發射機出現本振失鎖或過溫時，監控單元可關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射干擾其它信道；電源模塊為各模塊提供直流供電；風機將各模塊傳導到散熱翅片的大量熱量導出，使整機溫度維持在一個穩定的范圍。

2 理論分析與軟件仿真

2.1 功率分配/合成網絡的設計和仿真

多路功率合成的效率是決定整個功率合成模塊成敗的關鍵因素[6]。在Ku頻段，如采用微帶形式合成，介質損耗較大[7]，合成損耗隨合成級數的增加而疊加，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的空間功率合成方式實現[9]。下面對功率合成模塊中的功率分配/合成網絡進行理論分析與軟件仿真。

2.1.1 改進型波導E-T結設計

波導T型結是一個簡單的三端口網絡，可以用于功率分配或功率合成。波導T型結示意如圖2所示。

圖2 波導T型結示意Fig.2 The model of waveguide T junction

常用的波導T型結可分為H面T型結(H-T結)和E面T型結(E-T結)[10]，其中E-T結更適合作為固態功率合成器的基本功分/合成單元[11]。波導E-T結為三端口無耗器件，這種三端口網絡無法實現3個端口的同時匹配。如果以S11最小為設計目標，折中端口回波損耗和端口間隔離，可得到三端口網絡S參數理想值為：

(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E-T結的端口2和端口3典型回波損耗為-6 dB，隔離度為-6 dB[12]。實際應用中，波導E-T結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，如果一個合成支路的功放芯片損壞，由于信號串擾將使總輸出功率嚴重惡化，進而影響整機工作穩定度[13]。

基于以上原因，研制了一種改進型波導E-T結(加載電阻膜片的漸變波導E-T結)，克服了傳統波導E-T結的缺點。改進型波導E-T結通過在中心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，為了改善E-T結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漸變結構[15]。改進型波導E-T結三維模型如圖3(a)所示，仿真結果如圖3(b)所示。

圖3 改進型波導E-T結Fig.3 Improved waveguide E-plane T-junction

由圖3可以看出，在13.5～15 GHz范圍內，改進型波導E-T結具有低插入損耗、等功率分配的特性，輸入端口1的回波損耗優于-25 dB，輸出端口2和3之間的隔離度優于-20 dB。從仿真結果來看，該結構有效的解決了傳統波導E-T結三端口無法同時匹配和2個輸出端口隔離度差的問題。

2.1.2 四路功率分配/合成網絡設計

文獻[16-17]介紹了波導—微帶探針過渡的理論分析和軟件仿真。將改進型波導E-T結和波導—微帶探針過渡相結合，組成了一種新型四路功率分配/合成網絡。其結構模型如圖4所示。

圖4 四路功率分配/合成網絡結構模型Fig.4 The 3D model of four-way divider/combiner

經軟件仿真，該四路功率分配/合成網絡在13.5～15 GHz范圍內，插入損耗小于0.2 dB，回波損耗優于-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Ku頻段35 W GaN功放芯片通過該四路功率分配/合成網絡進行功率合成，最終實現了Ku頻段135 W(即51.3 dBm)功率合成模塊，合成效率高達96%。

2.2 結構及熱設計

Ku頻段100 W發射機采用模塊化設計思路，上變頻模塊、驅動放大器、功率合成模塊、耦合器、檢波器、監控單元、電源模塊、電源濾波器和風機都作為一個模塊獨立存在，各模塊單獨調試和測試完成之后裝入機箱，通過接插件相互連接，減少了操作環節，具有操作方便、性能可靠的優點。

該發射機的功率合成模塊采用了大功率GaN芯片，合成路數進一步減少，大大地減小了功率合成模塊的體積；同時，在機箱結構設計上采用三明治結構，功率合成模塊和電源模塊2個熱源體共用散熱器，有效地減小了整機體積和重量。

發射機是系統中的大功率設備，其可靠性在很大程度上依賴于機箱結構的熱設計，良好的熱設計可以有效地保障發射機在惡劣環境溫度下正常工作；反之，不良的熱設計將導致發射機內部熱量在某一區域內積聚，使個別關鍵部件因散熱不暢而失效。熱設計的原則是在熱源及耗散空間之間建立一條低熱阻的通道，使發射機產生的熱量在盡可能短的時間內導出，發射機能保持在較低溫度的熱平衡狀態[18]。

結合實際應用，該發射機采用空氣強迫對流冷卻方式進行散熱，主要從以下3個方面對機箱結構進行優化仿真：

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，通過優化翅片的厚度與間隔，選擇最佳組合使散熱效果達到最佳；

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

③ 預埋熱管：在功率合成模塊與發射機機箱的接觸面焊接熱管，使功率合成模塊產生的熱量迅速且均勻地傳導至機箱，通過優化仿真熱管的數量及間隔，使整機達到最佳的散熱效果。

通過優化仿真，最終選擇機箱翅片厚度為1 mm，間隔2 mm，導熱材料為0.2 mm厚的石墨均溫片，機箱預埋8根熱管。

在上述參數固定后，使用Icepak軟件對整機進行熱仿真，將整機所處環境溫度設置為60℃。根據芯片手冊，每個芯片的耗散功率為79 W。熱仿真結果如圖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。

根據芯片手冊，芯片熱阻為1.13℃/W。由式(4)計算得到芯片溝道溫度為219℃，遠低于GaN芯片的最高溝道溫度275℃，可保證設備穩定可靠工作[19]。

圖5 發射機熱仿真結果Fig.5 Thermal analysis results of the transmitter

3 測試結果

在解決上述關鍵技術的基礎上，最終研制出了Ku頻段100 W GaN發射機，該發射機充分考慮了實際工程應用和產品化設計，整機外形如圖6所示。根據系統需要，供電方式220 V交流或28 V直流可選；整機配備了標準的輸入接口、輸出接口、射頻采樣口、監控網口和CAN口等。

圖6 Ku頻段100 W氮化鎵發射機外形Fig.6 Photograph of Ku-band 100 W Ga Ntransmitter

對Ku頻段100 W GaN發射機的各項指標進行了全面測試，測試結果如表1所示。

表1 發射機指標
Tab.1 Specifications of the transmitter

測試項目指標輸入頻率范圍/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)輸出雜散/dBc≤-60三階互調/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

測試結果表明，該發射機相位噪聲指標優良，輸出功率大于51 dBm(即126 W)，整機功率合成效率大于91%，三階互調優于-25 dBc。該產品性能指標優良，整機體積和重量較小，具有很強的市場競爭力。

4 結束語

提出了一種新型四路功率分配/合成網絡，基于國產35 W GaN功放芯片，成功研制了Ku頻段100 W GaN發射機，測試結果表明該產品性能指標優良。該發射機充分考慮了實際工程應用和產品化設計，具有體積小、重量輕、散熱好、可靠性高和易于批產等優點。該發射機已進行了多批次生產，經過高低溫、振動、沖擊、淋雨和濕熱等各項環境試驗考核，工作穩定可靠，可應用于固定站、車載站、艦載站和機載站等多種衛星通信系統站型中，具有廣闊的市場應用前景。