Ku頻段2kW氮化鎵固態發射機設計

馬云柱 趙迎超 陳福媛

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在雷達系統中，發射機是系統的核心設備之一，大功率和高效率一直是發射機領域研究的熱點和難點。以GaN為代表的第三代半導體材料MMIC功率器件由于具有更高的擊穿電場，更高的熱導率和更大的功率密度，為研制大功率、高效率的固態發射機提供了有力的支持，使得在高頻段實現固態發射機替代電真空發射機成為可能。

文章論述了一種Ku頻段2kW氮化鎵固態發射機的設計。闡述了500W發射組件和平面波導魔T合成器的設計，分析了波導合成器的功率容量和相位一致性對發射機合成效率的影響，最終實現發射機輸出功率大于2kW，效率大于22%。該發射機已經成功應用于某項目替代電真空發射機，實現了產品的升級換代。

1 總體設計方案

如圖1所示，2kW發射機主要由一分四同軸功分器，4個500W發射組件、四路波導合成器、DC/DC電源變換模塊組成。輸入射頻信號經過一分四同軸功分器后分別推動4個500W發射組件，在保證了4個發射組件的相位一致性后，通過四路波導合成器輸出，DC/DC電源模塊為4個500W發射組件提供需要的各種電壓。

圖1 Ku頻段2kW發射機原理框圖

2 關鍵技術

2.1 500W發射組件

500W發射組件的原理框圖如圖2所示，以150W功放模塊為基本單元，采用E-T和H-T組合的四路波導合成輸出，在輸出端設置輸出和反射檢測電路，總控制模塊實現故障檢測和通信，風冷系統實現發射組件的散熱，提高產品工作的穩定性和可靠性。

圖2 500W發射組件原理框圖

500W發射組件的實物如圖3所示。外形尺寸為310mm×215mm×205mm。

圖3 500W發射組件實物照片

在脈沖寬度100μs，占空比20%條件下，在室溫環境下對4個發射組件的輸出功率進行了測試。測試數據表明，在工作頻帶內，4個發射組件的峰值輸出功率均大于530W，最大功率起伏小于0.5dB。

2.2 波導功率合成網絡

2.2.1 平面波導魔T四路合成器設計與仿真

波導合成器由于功率容量高、損耗小，是大功率合成首選的方案。波導魔 T的兩個輸入端口之間具有高的隔離度，有效減少了其輸入端口之間的干擾。但是傳統的魔 T體積大，調配元件復雜，裝配難度大，本文采用平面型魔T一定程度上解決了傳統魔T的尺寸較大的問題，減小了裝配難度，而且可以實現低插損、高隔離度。模型和仿真結果如圖4和圖5所示。

圖4 平面波導魔T四路合成器仿真模型

圖5 平面波導魔T四路合成器仿真結果

仿真結果表明在設定的頻率范圍內，平面波導魔T四路合成器電壓駐波比小于1.15，插入損耗小于0.15dB。滿足功率合成的工程需求。

2.2.2 功率容量計算

矩形波導功率容量的計算公式為

(1)

其中：、、的單位為cm；為波導的輸入駐波系數。

若波導系統中為空氣或真空，(波阻抗)為3767Ω，(空氣的擊穿強度)為30kV/cm，帶入后得

(2)

將=158cm，=079cm,帶入公式(2)，=55kW(=1)，功率容量滿足工程設計需求。

如圖6所示，仿真結果驗證了理論分析，在總口魔處在4個功分口同時饋入500W等相功率后，功分器內部電場最強值為：113×10V/m，低于空氣擊穿場強29×10V/m。

圖6 從4個分口饋入500W等幅等相功率時電壓分布情況

2.3 相位一致性對合成效率的影響

在成功實現500W發射組件和四路平面波導魔合成網絡后，四路發射組件之間的相位一致性就成為影響發射機最終合成效率的關鍵，由于四路功率合成的情況也可以由兩路的情況推導而出，所以下面以兩路功率合成來分析幅相不平衡度對合成效率的影響。合成效率計算公式為式(3)。

(3)

其中，=為幅度不平衡度；Δ=|-|為相位不平衡度。

不考慮幅度對合成效率的影響(=1)，表2 列出了相位不平衡度和合成效率的關系。

表1 4個發射組件常溫下輸出峰值功率測試數據

表2 相位不平衡度和合成效率的關系

由表2可以看出，相位不平衡是影響合成效率的關鍵因素之一，4個500W發射組件的相位一致性如表3所示。

表3 選用的4個發射組件相位測試(以4#為基準)

可見4個發射組件的相位一致性較差，為了提高合成效率，通過在合成器功分端口加波導墊片調節4個發射組件的相位。調整后的相位測試如表4所示。

由表4可以看出，調整后4個發射支路同頻點相位起伏小于13°，大大改善了4個發射組件之間的相位一致性。

表4 調整后的4個發射組件相位一致性測試

3 2kW發射機的設計和實測結果

經過充分的理論分析和仿真計算，依據圖1原理框圖設計的2kW氮化鎵固態發射機的實物測試照片如圖7所示。

圖7 發射機實物測試照片

在脈沖寬度100μs，占空比20%條件下，對發射機在室溫環境下的主要性能進行了測試，輸出功率測試結果和發射機效率計算數據如表5所示。

可見，在常溫條件下，發射機帶內輸出峰值功率大于2kW，效率大于22%，輸出功率起伏小于0.45dB，根據表1和表5的測試結果，經計算發射機的合成效率大于93%，主要技術指標達到國內領先水平。

表5 發射機輸出功率測試數據

4 結束語

本文介紹了一種Ku波段2kW氮化鎵固態發射機的設計，采用多種形式的功率合成方式，在Ku頻段實現了峰值輸出功率大于2kW，效率大于22%。并成功應用于某項目替代電真空發射機，提高了系統的可靠性和安全性，實現了產品的升級換代。