楊飛,殷康,趙恒飛,趙瑩,劉江濤,楊淑麗

中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710100

1 引言

微波功率放大器廣泛應(yīng)用于通信、導(dǎo)航、遙感等衛(wèi)星系統(tǒng)中,是系統(tǒng)的關(guān)鍵載荷,主要實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的放大以及幅度和相位的控制等功能[1-2]。功率放大器決定系統(tǒng)的等效輻射功率,同時(shí)也是衛(wèi)星平臺(tái)主要的能耗設(shè)備,因此,其輸出功率和效率指標(biāo)對(duì)于平臺(tái)及系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。長期以來,在星載高功率放大器領(lǐng)域,以行波管放大器(TWTA)為代表的電真空器件一直占據(jù)主要地位。基于半導(dǎo)體固態(tài)器件的放大器受限于較低的輸出功〗率和效率,主要應(yīng)用在中小功率的系統(tǒng)中。隨著以氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展,國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)在星用GaN功率器件以及大功率固態(tài)功率放大器(SSPA)研制方面取得了長足的發(fā)展[3-6]。在L頻段,已有輸出功率達(dá)到200W,效率74%的GaN功率器件[3,7],在S頻段,已有輸出功率200W,效率大于45%的SSPA單機(jī)[4],C頻段SSPA單機(jī)功率大于100W,效率大于50%[5,8]。在設(shè)計(jì)層面,為了提高效率,功放設(shè)計(jì)除基波匹配外,還需進(jìn)行高次諧波匹配[9-11],為了提高功率,需對(duì)多個(gè)功率器件進(jìn)行合成[12-14]。目前,在C頻段以下,SSPA功率和效率已和TWTA相當(dāng),但卻擁有更小的尺寸、更輕的重量,更高的集成度以及適合批量化制造等優(yōu)點(diǎn),已具備替代TWTA的能力。值得一提的是,美國的GPS III、歐洲的伽利略二代以及中國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星都采用了基于GaN器件的SSPA的方案[13-16]。文獻(xiàn)[13]報(bào)道了伽利略二代衛(wèi)星中L頻段SSPA的研制情況,末級(jí)GaN器件功率90W,采用諧波阻抗匹配提高效率,4路合成提高功率,整機(jī)功率300W,效率大于45%。文獻(xiàn)[14] 報(bào)道了GPS III衛(wèi)星中L頻段SSPA射頻部分的研制情況,輸出功率400W,效率大于60%,同樣采用4路120W氮化鎵功率器件合成的方案,并在前級(jí)加入線性化器補(bǔ)償線性特性。

本文基于GaN功率器件,應(yīng)用低溫共燒多層陶瓷技術(shù)、高效波形賦形技術(shù)[2,11]及移相全橋等技術(shù),研制了L頻段高效率固態(tài)功率放大器。在100MHz帶寬范圍內(nèi),輸出功率大于200W,效率優(yōu)于60%。與文獻(xiàn)[13]相比,本文末級(jí)功放采用連續(xù)模F類設(shè)計(jì),電源采用基于同步整流的移相全橋設(shè)計(jì),整機(jī)效率更高。與文獻(xiàn)[14]相比,本文通過優(yōu)化驅(qū)動(dòng)級(jí)和末級(jí)晶體管的柵極電壓,對(duì)級(jí)聯(lián)線性特性補(bǔ)償,無需專門的線性化器。通過以上創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用,本文研制的功放的主要性能達(dá)到了國際先進(jìn)水平,可廣泛應(yīng)用于通信、導(dǎo)航等衛(wèi)星系統(tǒng)中。

2 總體方案及設(shè)計(jì)

SSPA的三維模型如圖1所示,從功能上分為射頻單元(RFU)和電源單元(DC-DC)兩部分。RFU的主要功能是將輸入射頻信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大,使其達(dá)到額定輸出功率,同時(shí)實(shí)現(xiàn)增益相位、幅度控制,增益溫度補(bǔ)償、增益自動(dòng)控制(ALC)等功能。DC-DC的主要功能是將衛(wèi)星平臺(tái)提供的大動(dòng)態(tài)范圍一次電壓轉(zhuǎn)化為射頻單元所需的穩(wěn)定工作電壓,并實(shí)現(xiàn)固放的遙控和遙測(cè)接口。

圖1 固態(tài)功率放大器三維模型Fig.1 3D model of the SSPA

本文主要圍繞射頻單元的設(shè)計(jì)展開論述,并簡(jiǎn)單介紹電源單元的設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果。

射頻單元的組成原理及三維模型如圖2所示,由3部分組成,分別為前級(jí)通道放大器(CAMP)、10W氮化鎵驅(qū)動(dòng)放大器(MPA)和2路100W氮化鎵末級(jí)功率放大器(HPA)。為了實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化,CAMP采用多層低溫共燒陶瓷一體化封裝技術(shù)。為了提高效率,MPA和HPA均采用基于諧波匹配的波形賦形技術(shù)[2,9]進(jìn)行設(shè)計(jì)。鏈路預(yù)算如圖2(c)所示,總增益為50dB,噪聲系數(shù)為17dB,輸出功率為53dBm。鏈路增益Gain為50dB,噪聲系數(shù)NF為17dB,輸出功率Pout為53dB,三階交調(diào)IMD3為11dBc。

圖2 射頻單元原理、模型及預(yù)算結(jié)果Fig.2 Prototype,model and budget of RF unit

為了提高轉(zhuǎn)換效率,電源單元采用基于同步整流的移相全橋電路拓補(bǔ),其具體原理如圖3(a)所示,當(dāng)遙控指令電路接收到開機(jī)信號(hào)時(shí),輔助電源首先工作,產(chǎn)生脈寬調(diào)制器(PWM)工作所需的+12V和-5V電壓,接著,PWM產(chǎn)生寬度調(diào)制脈沖,移相全橋(PSFB)和半橋(HB)開始工作,輸出穩(wěn)定的+28V、+5V、和-5V電壓。圖3(b)給出了電源上電次序的仿真結(jié)果,可以看出,先產(chǎn)生-5V,約10ms延時(shí)后,再產(chǎn)生+28V和+5V電壓。電源的轉(zhuǎn)換效率測(cè)試結(jié)果圖3(c)所示,在大于11A的電流輸出條件下,轉(zhuǎn)換效率接近94%。

3 關(guān)鍵電路模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 通道放大器模塊

通道放大器主要完成固定增益模式(FGM)和自動(dòng)電平控制模式(ALC)的選擇,實(shí)現(xiàn)信號(hào)增益控制,溫度補(bǔ)償?shù)裙δ堋Ｆ浣M成原理如圖2(a)所示,主要由線性放大器(AMP1和AMP2)和可變/固定衰減器(ATT1、ATT3和數(shù)字ATT2)級(jí)聯(lián)組成。電性能仿真結(jié)果如圖4所示,在工作頻帶范圍內(nèi),增益大于31dB,噪聲系數(shù)小于18dB,輸出1dB壓縮功率大于30dBm。根據(jù)前一節(jié)鏈路預(yù)算結(jié)果,該模塊在鏈路中的功率電平為27dBm,工作在線性區(qū),不會(huì)造成后級(jí)高功率部分非線性的惡化。

為了實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化,通道放大器采用多層低溫共燒陶瓷一體化封裝技術(shù),將所有元器件和電路集成在13層的一體化陶瓷封裝結(jié)構(gòu)中。該結(jié)構(gòu)直接焊接在硅鋁外殼中并采用可伐材料蓋板密封,其中,陶瓷材料使用Ferro-A6S基板。1～4層用來形成隔墻,進(jìn)行氣密性封腔;第5層主要進(jìn)行低頻走線、表貼電阻、電容等器件的組裝;6～13層實(shí)現(xiàn)RF走線,芯片、器件組裝以及射頻低頻隔離等功能。通道放大器的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖4(a)(b)所示。

圖4 通道放大器模塊設(shè)計(jì)仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result of channel amplifiers

3.2 驅(qū)動(dòng)功率放大器

驅(qū)動(dòng)功率放大器基于GaN功率晶體管,采用F類設(shè)計(jì)[9,11],晶體管的柵極和漏極偏置電壓分別為-3.2V和28V。采用基于諧波匹配的波形賦形技術(shù)[2],對(duì)晶體管的基波阻抗、二次和三次諧波阻抗同時(shí)匹配以實(shí)現(xiàn)高效率。首先,對(duì)晶體管進(jìn)行負(fù)載牽引,得出其最佳的基波以及高次諧波阻抗,如圖5(a)所示。其次,根據(jù)阻抗值,采用微帶形式進(jìn)行匹配電路設(shè)計(jì),圖5(b)給出了在該阻抗值下晶體管對(duì)應(yīng)的漏極電壓(VDS)和電流(IDS)波形。仿真中,晶體管的寄生參數(shù)已去嵌入,因此,阻抗和電壓電流波形是從本征電流源平面(Igen平面)得到的。從波形可以看出,VDS近似方波,IDS接近半波整流正弦,近似滿足F類功放的工作模式。

基于設(shè)計(jì)仿真,加工了驅(qū)動(dòng)放大器樣品并對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試,結(jié)果如圖5(c)所示。在1.45～1.55GHz工作帶寬內(nèi),該驅(qū)放輸出功率大于10W,功率增益(Gain)大于14dB,功率附加效率(PAE)高于70%,測(cè)試與仿真結(jié)果吻合良好,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)仿真的正確性。

圖5 驅(qū)動(dòng)放大器設(shè)計(jì)仿真及測(cè)試結(jié)果Fig.5 Simulation and measured result of MPA

3.3 末級(jí)功率放大器

末級(jí)功率放大器同樣基于GaN功率晶體管,不同于驅(qū)動(dòng)級(jí),末級(jí)晶體管輸出功率高,柵極寬度大,因此基波阻抗低,漏源級(jí)的寄生電容Cds大,難以實(shí)現(xiàn)高次諧波的高阻抗匹配要求,因此,末級(jí)晶體管的輸出匹配設(shè)計(jì)基于連續(xù)模B-J類[1],柵極和漏極偏置電壓分別為-3V和28V,采用微帶電路進(jìn)行匹配設(shè)計(jì),將Cds也計(jì)入匹配電路中。在設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)晶體管的寄生參數(shù)去嵌入,到了本征電流源平面(Igen平面)上的輸出阻抗及電壓和電流波形,如圖6(a)(b)所示。可以看出,其輸出基波和三次諧波阻抗較低,近似為純電阻特性,二次諧波阻抗為純電抗特性。VDS和IDS均近似半波整流正弦波形,相位近似相差180°。匹配設(shè)計(jì)時(shí),在實(shí)現(xiàn)高效率的同時(shí),兼顧線性性能,優(yōu)化末級(jí)功放在特定工作點(diǎn)的線性特性,以提高整機(jī)線性度。

基于設(shè)計(jì)仿真,加工了末級(jí)功放樣品并對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試,結(jié)果如圖6(c)所示,在1.45～1.55GHz頻率范圍內(nèi),Pout大于105W,最大功率122W,附加效率(PAE)高于70%,最高75%,Gain大于13dB,測(cè)試與仿真結(jié)果吻合良好,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

圖6 末級(jí)放大器設(shè)計(jì)仿真及測(cè)試結(jié)果Fig.6 Simulation and measurement results of HPA

為了驗(yàn)證該固態(tài)功放的線性特性,將驅(qū)動(dòng)放大器和末級(jí)放大器級(jí)聯(lián),分別測(cè)試其幅度-幅度變化(AM/AM)、幅度-相位變化(AM/PM),和三階交調(diào)性能,結(jié)果如圖7所示。通過優(yōu)化驅(qū)動(dòng)級(jí)和末級(jí)晶體管的柵極電壓,可以在特定輸入功率范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)級(jí)功放的增益擴(kuò)張?zhí)匦?并以此來補(bǔ)償末級(jí)功放的增益壓縮特性,從而在級(jí)聯(lián)后獲得較高的線性特性,從測(cè)試結(jié)果可見,驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電壓為-3.2V,末級(jí)柵極電壓為-3V的偏置條件下,在輸入功率15～23dBm范圍內(nèi),級(jí)聯(lián)后的AM-AM小于2dB,AM-PM小于16°,IM3在回退6dB范圍內(nèi)優(yōu)于18dBc。

3.4 功率分配及合成電路

功率分配器(PD)和合成器(PC)均使用四端口正交電橋形式,相對(duì)于三端口功分器/合成器而言,正交電橋的駐波更好,隔離度更高,對(duì)兩路功放的不平衡適應(yīng)性更強(qiáng)。其中,分配器承受功率較小,采用平面微帶形式,兼顧體積和損耗;合成器承受功率高,采用介質(zhì)填充方同軸形式,滿足功率容量和合成效率的要求。分配及合成器的結(jié)構(gòu)模型和參數(shù)性能(S parameter)仿真結(jié)果分別如圖8(a)(b)所示,可以看出,在1.45～1.55GHz頻帶范圍內(nèi),分配器插損小于0.2dB,平衡度優(yōu)于0.1dB,端口駐波小于-18dB,隔離度大于18dB。合成器插入損耗小于0.1dB,平衡度優(yōu)于0.1dB,端口駐波小于-22dB,隔離度大于22dB。

圖8 功率分配及合成器電磁模型及仿真結(jié)果Fig.8 Model and simulation result of PD and PC

4 整機(jī)研制及試驗(yàn)結(jié)果討論

4.1 整機(jī)研制及測(cè)試結(jié)果

完成關(guān)鍵模塊性能驗(yàn)證后,對(duì)整機(jī)進(jìn)行了集成設(shè)計(jì),射頻和電源采用獨(dú)立機(jī)殼,避免兩者之間的電磁干擾。各模塊之間通過金帶或半鋼電纜連接,驅(qū)動(dòng)和末級(jí)功放之間加入隔離器保證鏈路穩(wěn)定性。集成后的整機(jī)如圖9所示。

圖9 整機(jī)實(shí)物照片F(xiàn)ig.9 Photo of the implemented SSPA

整機(jī)增益、功率及附加效率測(cè)試結(jié)果如圖10所示。圖10(a)給出了1.48GHz處輸出功率、增益和效率隨輸入功率變化的測(cè)試結(jié)果,功率大于53dBm,增益高于57dB,整機(jī)效率超過60%,峰值效率64%。圖10(b)給出了三溫條件下,工作頻帶內(nèi)功率及效率的測(cè)試結(jié)果,在-25℃～+60℃范圍內(nèi),100MHz工作頻帶內(nèi),固放輸出功率大于200W,效率高于60% 。

圖10 整機(jī)增益、功率及效率測(cè)試結(jié)果Fig.10 Gain,power and PAE measured results of SSPA

整機(jī)的其他性能指標(biāo)如表1所示,通過級(jí)聯(lián)優(yōu)化,整機(jī)在輸出回退3dB范圍內(nèi)交調(diào)優(yōu)于18dBc,飽和點(diǎn)AM/PM小于1.2°/dB,相移優(yōu)于17°,雜波優(yōu)于70dBc。

表1 其他指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

4.2 整機(jī)熱設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果

固放是載荷主要發(fā)熱設(shè)備,為保證壽命,要求工作在一級(jí)降額溫度以下,為滿足以上要求,對(duì)整機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)熱設(shè)計(jì)。末級(jí)功率放大器采用陶瓷基板制作匹配電路并將末級(jí)晶體管及陶瓷基板焊接在金剛石銅熱沉上,再將熱沉焊接至機(jī)殼上實(shí)現(xiàn)良好散熱。金剛石銅熱導(dǎo)率接近550W/(C·K),可以有效降低從晶體管到機(jī)殼的熱阻。仿真結(jié)果如圖11(a)所示。在55℃環(huán)境溫度下,末級(jí)晶體管的殼體溫度最高為88.6℃,通過熱阻計(jì)算其結(jié)溫為137.3℃。采用熱成像儀對(duì)高溫工作時(shí)的末級(jí)晶體管殼溫進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如圖11(b)所示,實(shí)測(cè)管殼溫度為91.3℃左右,對(duì)應(yīng)其結(jié)溫為140℃。熱成像測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了熱設(shè)計(jì)的有效

性,確保固放能夠滿足宇航長壽命高、可靠的使用要求。

圖11 熱分析及測(cè)試結(jié)果Fig.11 Thermal simulation and measurement results

4.3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

表2為本文研制的固放與國內(nèi)外文獻(xiàn)公開報(bào)道的同類型星載固放的性能對(duì)比,相對(duì)于文獻(xiàn)[15-17],本文在輸出功率和效率方面優(yōu)勢(shì)明顯。相較于文獻(xiàn)[7,13-14],本文的效率更優(yōu),其中文獻(xiàn)[7]僅報(bào)道了末級(jí)功率管的技術(shù)指標(biāo),文獻(xiàn)[13-14]]分別為伽利略二代和GPS三代衛(wèi)星固放驗(yàn)證件的技術(shù)指標(biāo),代表目前國際最高水平。以上對(duì)比表明,本文報(bào)道的固放在國內(nèi)屬領(lǐng)先地位,在國際上處于先進(jìn)水平。

表2 本文與公開報(bào)道的同類星載固放的性能對(duì)比

5 結(jié)論

本文研制了星載L頻段200W高效固態(tài)功率放大器。首先,對(duì)關(guān)鍵模塊及其設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了論述,采用LTCC一體化集成封裝技術(shù),實(shí)現(xiàn)了低頻控制以及小信號(hào)部分的高集成和小型化。采用波形賦形技術(shù),實(shí)現(xiàn)了大功率、高效率的末級(jí)功放。通過驅(qū)動(dòng)級(jí)和末級(jí)級(jí)聯(lián)調(diào)節(jié),優(yōu)化了線性指標(biāo)。其次,完成了整機(jī)的集成設(shè)計(jì)及加工測(cè)試,在1.45～1.55GHz頻率范圍內(nèi),整機(jī)增益高于57dB,輸出功率大于200W,效率和三階交調(diào)分別優(yōu)于60%和18dBc,具備30dB增益及360°相位可調(diào)功能,同時(shí),可進(jìn)行工作模式選擇(FGM或ALC)。通過和國內(nèi)外公開報(bào)道的文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比,該功率放大器性能優(yōu)良,為目前國內(nèi)星載固放領(lǐng)域,連續(xù)波功率和效率最高的單機(jī),達(dá)到了國際先進(jìn)水平。