EHF頻段40 W氮化鎵發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

劉立浩，余承偉，薛 騰

(中國(guó)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

隨著衛(wèi)星通信的蓬勃發(fā)展，C頻段和Ku頻段資源日趨緊張，衛(wèi)星通信逐漸向高頻段擴(kuò)展，極高頻(Extremely High Frequency，EHF)成為目前衛(wèi)星通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。EHF頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有頻率資源豐富、抗干擾能力強(qiáng)和通信終端體積小等優(yōu)點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域具有重要意義[1]。目前，主要的EHF軍用衛(wèi)星系統(tǒng)有美國(guó)的Milstar系統(tǒng)和AEHF系統(tǒng)[2]、英國(guó)的Skynet系統(tǒng)[3]和法國(guó)的Syracuse系統(tǒng)[4]。其中，美國(guó)的Milstar系統(tǒng)和AEHF系統(tǒng)上行鏈路頻率為43.5～45.5 GHz，下行鏈路頻率為20.2～21.2 GHz[5]。

使用國(guó)產(chǎn)EHF頻段17 W(45.5 GHz頻點(diǎn)飽和輸出功率)GaN功放芯片，采用一種改進(jìn)型波導(dǎo)E-T結(jié)[6]和波導(dǎo)—微帶探針過(guò)渡[7]相結(jié)合的新型四路功率分配/合成結(jié)構(gòu)，研制出EHF頻段58 W(即47.6 dBm)GaN功放模塊，基于該功放模塊，成功研制了EHF頻段40 W GaN發(fā)射機(jī)。

1 組成和工作原理

EHF頻段40 W發(fā)射機(jī)主要由上變頻模塊[8]、驅(qū)動(dòng)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。

圖1 EHF頻段40 W發(fā)射機(jī)組成框圖Fig.1 Block diagram of EHF-band 40 W transmitter

10 MHz參考信號(hào)和C頻段中頻信號(hào)的合路信號(hào)進(jìn)入EHF頻段40 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(hào)和中頻信號(hào)分離，10 MHz信號(hào)鎖定模塊中內(nèi)置的100 MHz晶振，100 MHz信號(hào)作為鑒相頻率；上變頻模塊將中頻信號(hào)變頻為EHF頻段信號(hào)，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)；之后EHF頻段信號(hào)依次進(jìn)入驅(qū)動(dòng)放大器和功率合成模塊，進(jìn)行功率放大；最終，EHF頻段信號(hào)經(jīng)波導(dǎo)耦合器的主路輸出。

監(jiān)控單元負(fù)責(zé)采集各模塊的狀態(tài)信息，經(jīng)過(guò)處理后，以LAN接口形式輸出到監(jiān)控網(wǎng)口；監(jiān)控單元還可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(guò)溫時(shí)，監(jiān)控單元可切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(hào)發(fā)射干擾其他信道。

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 設(shè)計(jì)與仿真

下面對(duì)EHF頻段40 W發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，使用三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了建模仿真，并給出了仿真結(jié)果。

2.1 功率合成模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 改進(jìn)型波導(dǎo)E-T結(jié)[9]

波導(dǎo)T型結(jié)是一個(gè)簡(jiǎn)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 Schematic diagram 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(wú)耗器件，這種三端口網(wǎng)絡(luò)無(wú)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]。

由于T型結(jié)存在不連續(xù)性，所以T型結(jié)等效于一個(gè)寄生電抗效應(yīng)，從而使電磁波在T型結(jié)處傳播時(shí)會(huì)有相位的延遲，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該加入電抗補(bǔ)償。為有效改善輸入端口回波損耗和拓寬工作頻率，本設(shè)計(jì)在普通波導(dǎo)E-T結(jié)上進(jìn)行了改進(jìn)，具體做法就是添加楔形缺口，與標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)間進(jìn)行斜漸變以拓寬頻帶[13]。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

仿真結(jié)果顯示，在43.5～45.5 GHz頻率范圍內(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。

2.1.2 波導(dǎo)—微帶探針過(guò)渡

目前，波導(dǎo)—微帶探針過(guò)渡[14]是應(yīng)用最為廣泛的波導(dǎo)—微帶過(guò)渡形式，相比其他過(guò)渡方式，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：插入損耗低、回波損耗小、可覆蓋較寬頻帶、結(jié)構(gòu)緊湊和加工方便。

波導(dǎo)—微帶探針過(guò)渡有2種常用的形式：一種是微帶平面的法向方向與波導(dǎo)內(nèi)電磁波傳播的方向平行，稱之為H面探針過(guò)渡；另一種是微帶平面的法向方向與波導(dǎo)內(nèi)電磁波傳播的方向垂直，稱之為E面探針過(guò)渡[15]，如圖4所示。這2種方法都是將微帶探針通過(guò)波導(dǎo)寬邊中心的孔插入波導(dǎo)腔中，通過(guò)一段起耦合作用的探針將波導(dǎo)中的電場(chǎng)耦合到微帶中去。矩形波導(dǎo)中距離過(guò)渡器四分之一波長(zhǎng)的短路活塞保證探針在波導(dǎo)內(nèi)處于電場(chǎng)最強(qiáng)位置，以達(dá)到盡量高的耦合效率。探針過(guò)渡具有容性電抗，一段具有感性電抗的高阻抗線被串聯(lián)在探針過(guò)渡器后面，以消除容性電抗，然后經(jīng)過(guò)四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器實(shí)現(xiàn)與50 Ω微帶線的阻抗匹配[16]。

圖4 波導(dǎo)—微帶探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of the waveguide to microstrip probetransition

圖5(a)是波導(dǎo)—微帶探針過(guò)渡在HFSS中的仿真模型，從圖5(b)的仿真結(jié)果可以看出，該探針結(jié)構(gòu)在43.5～45.5 GHz范圍內(nèi)插入損耗小于0.1 dB，回波損耗優(yōu)于30 dB(2個(gè)端口回波損耗曲線重合)，性能指標(biāo)優(yōu)良。

圖5 波導(dǎo)—微帶探針過(guò)渡Fig.5 The waveguide to microstrip probetransition

2.1.3 功率合成模塊設(shè)計(jì)

將改進(jìn)型波導(dǎo)E-T結(jié)和波導(dǎo)—微帶探針過(guò)渡相結(jié)合，組成了一種新型四路功率分配/合成結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

圖6 四路功率分配/合成結(jié)構(gòu)模型Fig.6 The 3D model of four-way power-dividing/combining structure

經(jīng)軟件仿真，該四路功率分配/合成結(jié)構(gòu)在43.5～45.5 GHz頻率范圍內(nèi)，插入損耗小于0.2 dB，回波損耗優(yōu)于20 dB，并具有良好的幅度和相位一致性。

基于微組裝工藝，使用4片國(guó)產(chǎn)EHF頻段17 W GaN功放芯片，通過(guò)該四路功率分配/合成結(jié)構(gòu)進(jìn)行功率合成，最終實(shí)現(xiàn)了EHF頻段58 W(即47.6 dBm)功率合成模塊，合成效率達(dá)到85%。

2.2 上變頻模塊設(shè)計(jì)

上變頻模塊的組成框圖如圖7所示。

圖7 上變頻模塊組成框圖Fig.7 Block diagram of up-converter module

2.2～4.2 GHz的S頻段信號(hào)進(jìn)入上變頻模塊，首先經(jīng)過(guò)放大器對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行放大，放大器兩端的π型衰減器用于改善駐波和調(diào)整模塊增益；之后經(jīng)過(guò)低通濾波器，與41.3 GHz的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，得到43.5～45.5 GHz的EHF頻段信號(hào)；EHF頻段信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器，以濾除帶外雜散，并經(jīng)過(guò)放大器進(jìn)行信號(hào)放大；最后EHF頻段信號(hào)經(jīng)過(guò)波導(dǎo)隔離器輸出[17]。

41.3 GHz的單點(diǎn)本振由5.9 GHz七倍頻得到。5.9 GHz頻率是采用取樣鎖相方案得到，鑒相頻率為100 MHz，相位噪聲指標(biāo)優(yōu)良[18]。

2.3 工程實(shí)現(xiàn)

EHF頻段40 W GaN發(fā)射機(jī)機(jī)箱采用全密封結(jié)構(gòu)，可直接安裝于室外天線上。發(fā)射機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，上變頻模塊、驅(qū)動(dòng)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(cè)試完成之后裝入機(jī)箱，通過(guò)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)。

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)的原則就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)[19]。

結(jié)合熱仿真數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)，該發(fā)射機(jī)采用強(qiáng)迫對(duì)流方式進(jìn)行散熱，并在兼顧發(fā)射機(jī)體積和重量的條件下，對(duì)影響發(fā)射機(jī)散熱的所有參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化選擇，最終機(jī)箱散熱器材料選用6063-T5變形鋁，功放模塊盒體材料選用無(wú)氧銅，芯片載體材料選用金剛石銅，導(dǎo)熱界面材料選用0.15 mm厚的人工石墨均溫片。為了良好地散熱，機(jī)箱還采用先進(jìn)的真空焊接鋁制均溫板技術(shù)，并通過(guò)仿真優(yōu)化，確定了機(jī)箱散熱翅片的最優(yōu)厚度為1 mm，間隔為3 mm。

最終研制的EHF頻段40 W氮化鎵發(fā)射機(jī)實(shí)物如圖8所示。

圖8 EHF頻段40 W氮化鎵發(fā)射機(jī)實(shí)物Fig.8 Photograph of EHF-band 40 W GaN transmitter

3 測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)EHF頻段40 W GaN發(fā)射機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了全面測(cè)試，測(cè)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(cè)試結(jié)果表明，該發(fā)射機(jī)輸出功率大于40 W，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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種新型四路功率分配/合成結(jié)構(gòu)，基于國(guó)產(chǎn)17 W GaN功放芯片，成功研制了EHF頻段40 W GaN發(fā)射機(jī)，測(cè)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)經(jīng)過(guò)高低溫、振動(dòng)、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。該發(fā)射機(jī)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(chǎng)應(yīng)用前景。