基于GaN的Ku波段千瓦級峰值功率固態發射機的研制

馬云柱 張 尉 張思明 陳福媛

(1.西安電子工程研究所 西安 710100；2.陸軍裝備部駐洛陽地區航空軍事代表室 河南洛陽 450005)

0 引言

在雷達系統中，發射機的輸出功率直接決定整個系統的作用距離和抗干擾能力。受限于半導體功率器件單管功率和合成效率，長期以來在Ku及其以上頻段，千瓦級以上的大功率發射機一直以行波管等電真空放大器為主。以GaN為代表的第三代寬禁帶半導體器件的快速發展為在高頻段固態發射機替代電真空發射機提供了廣闊的發展空間。

目前，Ku及其以上頻段固態功率器件的輸出功率仍不夠大，要實現千瓦級以上的輸出功率，需要經過多次串聯、并聯、合成的方式。常見的功率合成方式主要有威爾金森功分/合成器、環形電橋、Lange橋、E面波導分支線功分/合成器，H面波導裂縫電橋，魔T、徑向波導合成器等。

本文介紹一種基于GaN的Ku波段千瓦級峰值功率固態發射機的工程實現。以GaN的MMIC功率芯片為核心，通過32路合成方式，實現峰值功率大于1000 W。設計中首先采用一種混合式功分/合成網絡，將MMIC功率芯片通過4路合成實現140 W的基礎功率模塊，然后以基礎模塊為核心，通過8路波導合成實現千瓦級固態發射機。經測試，發射機效率(不含電源)大于25%，并成功應用于某項目替代電真空發射機。在Ku波段實現了固態發射機對電真空發射機的完美替換。

1 系統組成

圖1是Ku波段千瓦級固態發射機的組成原理框圖, 結合波導E面T型分支、波導H面分支波導電橋、波導-微帶轉換結構將4 路功率單片合成一個140 W的功率模塊,以此為基礎,再用8路波導功率合成器將8個140 W功率模塊合成,獲得千瓦級峰值輸出功率。這種方案的優點是140 W功率子模塊采用基于波導的空間功率合成方式,合成效率高、體積小、結構簡單；同時分支波導電橋的支路間具有大于20 dB 的隔離度,高的隔離度保證了整個功放的高穩定性；每個功率子模塊通過調試,確保幅度、相位一致后再參與最終的8路波導合成,可維護性強；利用風機和設計合理的風道對功率模塊和發射機進行了熱設計,保證功率模塊散熱面有足夠流動的風量,解決了由于功率模塊發熱引起的發射機可靠性問題。

圖1 Ku波段千瓦級固態發射機組成原理框圖

2 關鍵技術

由于固態功率器件輸出功率的限制，要實現大功率固態發射機，必須采用功率合成。因此設計效率高、可靠性好的合成網絡，是發射機研制的關鍵技術之一。在本文發射機設計中，主要涉及兩個層級的功率合成，首先是MMIC芯片級的功率合成，即如何實現140 W的末級功率放大模塊。其次是模塊級的功率合成，即如何以140W末級功率放大模塊為基礎，通過功率合成實現千瓦級輸出功率的固態發射機。

2.1 芯片級功率合成網絡設計

末級功率放大模塊是發射機的核心，而MMIC功率芯片則是末級功率放大模塊的核心。在芯片級功率合成中，我們采用一種混合式功率合成網絡，如圖2。以基于GaN的MMIC功率放大芯片為基本單元，通過4路合成，實現末級功率放大模塊。

圖2 混合式功分/合成網絡原理框圖

如圖2所示，該功分/合成網絡主要由E-T、H面3 dB波導耦合橋和波導微帶轉換三部分組成。首先一個帶有漸變阻抗匹配的E面T型波導形成第一級功率分配結構，實現輸入功率的二等分，然后分別經過一個H面3 dB波導耦合橋實現波導結構的4路功分/合成網絡。在Ku以上頻段，目前大多采用的功率器件都是通過微帶相連形成平面功率放大電路的，這就需要波導-微帶過渡結構實現平面電路和波導的過渡。在H面3 dB波導耦合橋的波導輸出端分別設計波導-微帶轉換電路。

以圖2所示的結構作為功分網絡和合成網絡，以基于GaN的MMIC功率芯片為基本單元，研制140 W末級功率放大模塊，圖3是末級功率放大模塊的實物照片。

圖3 末級功放模塊照片

在脈沖寬度150 μs,占空比30%的條件下，對研制的10個模塊在室溫環境下性能指標進行了評估，表1是篩選其中一個模塊的測試結果。可以看出，當外部送入信號電平為12 dBm時，在Ku波段7.14%的相對帶寬范圍內脈沖輸出功率均大于138 W，附加效率大于31%。測試結果表明，芯片級的功分合成網絡性能滿足設計預期。

表1 Ku波段固態功率放大模塊測試結果

2.2 模塊級功率合成網絡設計

芯片級的功分/合成網絡實現了140 W末級功率放大模塊，模塊級功率合成網絡作為最后一級合成，減小插損，提高合成效率，對發射機的輸出功率起決定性的作用。在模塊級功率合成網絡設計中，我們選擇了波導合成方式。如圖4所示， 8路波導合成器分為上下兩層，每層由3個波導H-T形成4路合成網絡，然后再經過1個波導E-T合成，最終實現8路模塊級功率合成網絡。

圖4、圖5分別是模塊級功率合成網絡的模型和仿真結果。仿真結果表明在工作頻帶內電壓駐波比小于1.1，插入損耗小于0.1dB。

圖4 模塊級功率合成網絡模型

圖5 模塊級功率合成網絡差損和電壓駐波比仿真結果

3 發射機的實現和測試結果

在發射機的實現過程中，除了功率合成網絡的設計，保證末級功放模塊之間的相位一致性也至關重要，為此需要對10個末級功放模塊的發射相位進行測試和篩選。

最終篩選8個末級功率放大模塊，采用圖4的波導合成網絡，實現千瓦級固態發射機，發射機的實物如圖6。

圖6 發射機照片

在脈沖寬度150 μs,占空比30%的條件下，對研制的發射機在室溫環境下的性能指標進行了測試，結果如表2。

表2 Ku波段固態發射機測試結果

4 結束語

本文介紹了一種Ku波段千瓦級峰值輸出功率的固態發射機的設計，以Ku波段GaN的MMIC功率芯片為核心，采用32路合成結構，首先通過MMIC芯片級功率合成，實現140 W的末級功率放大模塊，再經過模塊級8路波導合成方式實現滿足設計要求的發射機。測試結果表明帶內峰值輸出功率大于1000 W，功率起伏小于0.4 dB，效率大于25%，并成功應用于某項目替代電真空發射機，提高了發射機的可靠性、穩定性和安全性，實現了產品的升級換代。