X 波段1kW 固態發射機設計

郭垚

（西安電子工程研究所，陜西 西安 710100）

20 世紀末到21 世紀初，固態發射機技術在國內得到重視并開始進入實用階段。原雷達發射機的電真空器件存在壽命短、可靠性差、開機燈絲預熱時間長等現象，而固態發射機相比于電真空管擁有高安全性、高效率、高可靠性、瞬時帶寬寬、體積小等明顯優點，且由于采用了標準化、模塊化的功率放大組件，具有很大的靈活性和良好的互換性，因此越來越成為電真空雷達發射機的替代產品[1-3]。

1 固態發射機組成原理

固態發射機主要由驅動放大模塊、功率放大模塊、功率分配/合成器、定向耦合器、環行器、電源偏置及檢測電路等組成（圖1）。信號輸入后經過驅動放大模塊放大后輸出至功率分配器分成多路，經過功率放大模塊，功率放大后的多路信號經過功率合成后通過定向耦合器環行器輸出。

圖1 發射機鏈路框圖

整個固態發射機的核心組件是功率放大模塊，其中主要器件是功率放大器，選用高效率的功率放大器件是實現大功率發射機的關鍵。20 世紀70 年代以來，微波單片集成電路（MMIC）以其小型化、穩定性高、易量產等優勢，在雷達系統中被廣泛使用。氮化鎵材料（GaN）擁有寬禁帶、擊穿場強高、高飽和電子漂移速率，相比于前兩代硅（Si）、砷化鎵（GaAs）半導體基片材料，氮化鎵單片微波集成電路（GaN MMIC）擁有更高的飽和輸出功率、更高的工作頻率和熱導率，因此基于MMIC 的高效率氮化鎵功率放大器作為發射機核心功率放大器件是更合適的選擇[4-5]。

2 固態發射機設計

2.1 設計要求

工作頻率：X 波段（10～11GHz）；發射輸出峰值功率：1kW；冷卻方式：風冷。

功率放大模塊的主要功能是對輸入的脈沖微波信號進行功率放大、對八路功率進行合成。功率放大模塊的輸入功率預設為40dBm，輸出功率大于等于58dBm，模塊內部GaN 功率放大器的增益約為21dB，確保功率放大器飽和深度小于2dB，使得功率放大器處于穩定工作狀態。

2.2 模塊間的功率分配/合成器

功率分配/合成器有兩類，一類是作為將驅動放大模塊的輸出功率等幅同相功分、將兩個功率放大模塊的輸出功率進行等幅同相合成；另一類是在功率合成模塊內部進行輸入功率分配、放大以及合成。低頻段的固態發射機因為傳輸功率較小，通常選擇的是微帶功率分配/合成器，由于微帶傳輸功率較小，選用波導形式的功率分配/合成器，波導功分器插損小，合成效率較高。

波導形式的功率分配器比較典型就是H-T 等功分器，也稱為H-T 接頭（圖2），分支臂在矩形波導窄邊上。當各端口波導中只傳輸TE10模，且導波從其中一個端口輸入，其余各端口均接匹配負載時，H-T 接頭具有以下特性：當作為功率分配器時，兩支分支臂等幅同相輸出；當作為功率合成器時，兩支分支臂等幅同相輸入時，另一端口有最大輸出功率。

圖2 H-T 仿真模型圖

仿真波導口尺寸為標準波導尺寸22.86×10.15mm2，中間做了模型優化，仿真結果可知分支臂兩端口的插入損耗小于0.1dB，合成輸出端口駐波小于1.25，見圖3-4。

圖3 H-T 插入損耗圖

2.3 功率放大模塊中的功率分配/合成器

圖4 H-T 分配/合成端口駐波圖

3dB 功分器是以二進制為基礎的功率分配/合成網絡的基本單元，對輸入功率進行90°相差等幅功分，一般的3dB 分支電橋耦合器都采取五分支的結構，為了降低加工難度，采取了四分支線的結構（圖5），增加了耦合孔間距。雖然減小了分支線數目會一定程度上減小耦合器的帶寬，但可以通過改變分支線的長度、間距等方法彌補。

為了方便功分器與功率放大器的連接，需要采取波導- 微帶的過渡結構，而空間功率合成的常用過渡形式有探針過渡和波導開窗過渡。波導開窗過渡是一種諧振式結構，其帶寬較窄，理論分析表明其相對帶寬在10%左右，且難以保證準確裝配，裝配引入的誤差很大，仿真結果和實際結果有很大差別[6-7]。而探針過渡結構是加工準確，同時裝配方便，實驗表明仿真結果和實測結果吻合很好。故選用微帶探針過渡（圖5），同時微帶探針具有良好的寬帶特性。微帶基片沿波導寬邊中心對稱垂直伸入波導，探針所在位置與波導橫截面相垂直。輸入信號通過兩級3dB 電橋分成四路，再由雙探針結構1:2 功分，從而實現1:8 功率分配，功率放大后的信號經過與1:8 功分器對稱的8:1 功率合成器功率合成。

圖5 E 面3dB 分支電橋及雙探針仿真模型圖

定向耦合器輸入功率后至微帶輸出的4 個端口，各支路的傳輸損耗均小于0.4dB，輸入輸出端口駐波小于1.2，見圖6-7。

圖6 插入損耗

圖7 輸入輸出端口駐波

2.4 功率放大模塊平面圖示

功率放大模塊采用8 路100W-GaN 功率器件雙探針波導3dB 合成方式實現。輸入信號通過兩級3dB 電橋分成四路，再由雙探針結構1:2 功分，從而實現1:8 功率分配，功率放大后的信號經過與1:8 功分器對稱的8:1 功率合成器功率合成。功率放大模塊分為兩個面對面對稱模塊，每個模塊由1:4 3dB 電橋、波導- 微帶過渡、四個功率放大器、微帶- 波導過渡、4:1 3dB 電橋、四塊電源調制板、一塊電源模板等組成，見圖8。

圖8 功率放大模塊結構示意圖

2.5 散熱設計

整體發射機系統采用傳統強迫風冷進行散熱，系統內模塊單元自身銑出散熱齒，由大功率風機進行抽風。

散熱器的表面溫度由環境溫度、空氣從散熱器上吸收熱量后的溫升以及散熱器對通道內冷卻空氣的溫升這三部分溫度構成。空氣從散熱器上吸收熱量后的溫度增加取決于器件耗散功率和總的空氣流量。散熱器對通道內冷卻空氣的溫升取決于通過散熱器的風速以及空氣流量，通過散熱器的風速又與散熱器的幾何形狀有關。

3 測試結果及分析

測試時在25°、-40°和55°輸入功率7dBm，在10～11GHz 每隔100MHz 選擇一個頻點測量其輸出功率的大小。結果顯示在55?條件下，在10.9 和11.0GHz 的頻點輸出功率小于1kW，其余頻點輸出功率均大于1kW，測試結果滿足設計要求，見圖9。

圖9 不同溫度下的輸出功率

4 結論

本文通過采用先進的GaN 功率器件和比較成熟的固態發射機技術設計模塊化、標準化、系列化的功率放大模塊，為C/X/Ku 波段大功率模塊的實現提供一條途徑。文章通過對兩類功率分配/合成器的建模與仿真，為實現大功率傳輸、多路功率以及波導- 微帶的過渡結構提供了一些借鑒性的方法，后續改進方向可以把波導換為帶狀線，既可以承受大功率又可以進一步縮小體積。通過實物測試，在10～11GHz 頻帶內，輸入7dBm 功率，實測輸出功率1kW 以上，滿足設計要求。