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1、1KaKaKaKa 频频段段固态功率固态功率放大器技术放大器技术设计设计方案方案1 1 1 1KaKaKaKa波段波段 10W10W10W10W-50W-50W-50W-50W功率放大器技术指标：功率放大器技术指标：技术指标项目数据备注频率范围2931GHz 或 2527.5GHz可按需要的定制输出功率(P1dB)10-50W (40dBm-47dBm)最大安全输入功率+10dBm线性增益50dB-55dB增益调节范围20dB(步进 1dB)数控衰减增益平坦度(25)峰峰值0.5dB任意 40MHz 频段增益变化(工作温度内)1.0dBAM/PM 变化3/dBP1dB回退 3dB杂散-60dB
2、c在 P1dB输出二次谐波-60dBc在 P1dB输出群时延变化线性0.04ns/MHz抛物线0.006ns/MHz峰峰值2ns24 小时时延变化1ns任意3MHz 带内驻波比输入: 1.3:1输出: 1.5:1保护功能过反射保护,过热保护,过流过压保护远控监控串口 Ethernct 网口两路 RF输入开关接口形式RF 输入: K(两路) (或 WR-28 两路)RF 输出:WR-28RF 输出耦合口(耦合度-40dBc);K-阴供电220VAC10%,4763Hz工作模式1:1模式或 1:2模式工作温度-50 +60存储温度-55 +85功放使用环境室外: 温度:-50+60湿度:0100%
3、(无冷凝)海拔高度:20000小时22 2 2 2功放功放设计设计框图：框图：例如一个 Ka 频段 P1dB 输出 10W框图：3.3.3.3.波导内空间功率合成放大器技术波导内空间功率合成放大器技术实施方案实施方案3.1功率合成放大器电路结构在雷达、电子干扰和通信发射机中，经常需要使用具有较大输出功率的放大模块。在毫米波频段，由于单个固态器件的输出功率非常有限，要获取系统所需输出功率电平就必须采用功率合成技术。固态功率合成放大器相对磁控管、行波管等电真空器件而言，除具有可靠性高，体积小、重量轻、交调特性好、功耗低、维护费低、直流电压低、对人员更安全等优点外，还能在一路或几路放大器出现故障的情
4、况下保证系统继续工作而不会完全失效，只是在性能上有所下降，即所谓的“故障弱化”特性。下图为目前微波固态功率合成技术的分类。3在分类图中，空间功率合成和准光合成技术是 20世纪 80年代提出的一种毫米波功率合成方法，在 80年代后期和 90年代被人们所重视并广泛地加以研究。它主要分为四大类，即：由 W.Lothar 等人提出的准光功率合成技术，由K.Cahng 以及 T.Iton 等人提出的自由空间功率合成技术，由 Amir Mortazawi 等人提出的采用开槽波导的自由空间功率合成器以及由 A.Alexanian 和 R.A.York提出的波导内空间功率合成技术。对于本项目拟采用的波导内空间
5、功率合成技术，功分/合成电路形式的选取是技术方案是否可行的关键。由微波网络理论可知，凡是满足互易原理的功率分配器都可以反过来作为多路微波功率合成器使用。但是功率合成器的设计还必须考虑一些特殊因素，如高的功率电平以及合成器电路对驱动放大器稳定性的影响等。一般而言，对功率合成器有下列要求：(1)合成器应当具有低的附加损耗，使得输出功率电平接近于各路输入功率电平之和；(2)合成器应当不改变各路放大器的可靠性、稳定性和信号特征；(3)合成器各输入端口应当具有足够的隔离作用，使得各路放大器互不影响；(4)合成器的输入端和输出端应当具有较低的电压驻波系数;(5)合成器有足够的功率容量。在毫米波频段通常以波
6、导作为传输或测试的标准媒介，因而人们优先选用波导基空间功率合成器，而不采用同轴或平面结构。这种采用在波导内部的封闭式功率合成器能够消除或减少由于采用自由空间功率合成方法而可能遇到的绕射损耗、聚焦误差、难于散热、以及输入/输出隔离差等问题，而且还能为有源器件提供良好的散热特性并具有实现模块化功率叠加的潜力。波导基的空间功率合成器电路结构首先以韩国人在24GHz的频率上实现的1.6W和3.3W的输出功率，其合成效率达到83%的功率放大器模块为基础，并逐步拓展为多层托架平面结构，也就是将标准波导切分成各层相同的托架，将其组合后形成一种等效传输波导，在每层托架上安装有源放大电路而组成一个功率放大电路单
7、元。在波导主传输模式工作条件下，功率合成在等效波导结构内进行。利用波导微带的多路渐变鳍线或槽线过渡结构，来完成功率分配的任务，再通过有源功放组件分别对各支路功率进行放大，进而由对称的多路渐变鳍线或槽线波导过渡结构实现功率合成输出。下图是韩国Nai-Shuo Cheng等人在X波段(其波导尺寸为23mm10.2mm)所设计的46Tray阵列，通过叠放6层放大单元，每个放大单元安置有4个放大器芯片，使得总输出功率达到120W(50.8dBm)。4这种结构虽然合成能在矩形波导物理尺寸允许的条件下，通过扩展托架数目来获取可以容纳更多的 MMIC 器件，而且对于总的合成效率响几乎可以忽略不计。但随着托架
8、数目的增加，托架间的热阻加大，其散热特性将随之恶化；而且每个托架可用的物理尺寸减小，对加工精度的要求也更为苛刻。这种结构的功率合成器的主要特点可以概括为：(1)有较高的合成效率，在一定范围内，合成效率与所用合成器件的数目几乎无关，适合多器件大功率合成输出的场合。(2)采用优化设计的渐变鳍线或槽线阵列来完成功率分配或合成任务，能够保证良好的宽带性能和系统的输入输出所需的隔离度。(3)采用托架式结构构成等效标准矩形波导，并可通过增加托架数量来拓展其合成功率容量。(4)在合成系统中，各个托架为一个相对独立的工作单元，所有单元电路均为并行工作，从而有良好的“故障弱化”特性。结合现有的工艺水平及实验条件
9、，在参阅了大量国内外的相关资料并进行对比分析，最终拟采用波导基的空间功率合成器结构方案，即利用双对极鳍线将输入、输出矩形波导过渡到微带，实现四路空间功率合成。53.2 方案选择拟采用的四单片空间功率合成电路结构如下图所示，它是一个功率合成结构框图。采用单托架结构，实现 22路功率合成电路。波导接口输入托架结构波导微带过渡波导接口输出托架结构的微带-波导过渡4路功率放大下图为波导基功率合成托架结构的横截面示意图，托架上下表面的微带电路中分别装配 2片功率单片，整个功率合成放大器共包含 4 片功率单片。下图为托架上、下表面微带电路示意图，托架上下表面的两路微带电路中分别各装配 1片功率单片。基片正
10、面电路基片背面电路64.4.4.4. 空间功率合成放大器无源电路设计及相关问题的考虑空间功率合成放大器无源电路设计及相关问题的考虑针对所确定的波导基空间功率合成器电路方案，首先需要解决的问题是设计出低插入损耗的矩形波导-双对极鳍线-微带过渡电路，并严格保证各支路之间的幅相一致；其次，设计能够保证放大器芯片良好工作的散热环境；并合理的解决四单片放大芯片的直流偏置问题。4.1 波导-双对极鳍线-微带线过渡设计波导-双对极鳍线-微带线过渡是波导基空间功率合成器的关键，该结构采用波导腔内单托架结构与微带电路相结合的结构形式，通过两片双对极鳍线将矩形波导中的模转换成四路微带线的准 TEM 模，同时该结构
11、将波导高阻抗向微带线低阻抗进行转换，实现阻抗匹配。对于基于波导的空间功率合成/分配电路，可以通过考察其波导横截面的电场来说明。下图为波导基功率合成波导截面电场示意图：我们知道，矩形波导中主模为 TE10模，宽边中心位置处电场最强。如果在垂直宽边处插入两片对极鳍线平面过渡电路（如图中所示位置），则可对称的把波导中的电场分别等分耦合到两片平面电路中。每一片过渡电路平滑的等功分为两路。在电路结构上把波导到微带线之间的过渡和两路功分做在一起，这样可以使结构更紧凑，因为作为波导到微带线之间的过渡是必不可少的，而功分和合成电路也是功率合成必需的，这样就能在过渡的同时将功分实现。通过两片双对极鳍线将矩形波导
12、中的10TE模转换成微带线的四路准TEM模，同时该结构将波导高阻抗向微带线低阻抗进行转换，实现了阻抗的匹配。7如果将双对极鳍线的过渡制作在单个基片上，然后将该结构插入波导的中心 E 面，就可以实现两路功率分配-合成；如果将两片这种电路对称的插入中心E 面两侧，则该结构就可以实现 22 路功率分配-合成。由于在空波导到介质波导转换中，介质的不连续性使转换产生反射损耗。这种情况可采用四分之一波长介质阻抗转换结构，利用延伸的基片将波导阻抗转化为半填充介质波导阻抗，能够有效的减小反射损耗。转换部分可以采用凸起或是凹槽方式，为加工制作方便，可以采用凸起的介质来完成阻抗匹配作用。(1) 设计分析对极鳍线的
13、渐变方式有许多种，包括指数线、抛物线、和余弦平方线，其中采用余弦平方渐变方式最为普遍。余弦平方渐变器便于机械加工，因而制造成本相对较低，但它的体积相对较大。波导-微带对极鳍线过渡器的结构如下图所示。在整个过渡长度内，两个金属鳍制作在基片两面，它是逐渐将波导电场的10TE模式转变成微带的准TEM模式。在过渡的始端，介质基片两面的金属导带相距为波导的高度，这样能最佳地耦合10TE模。区域 1和区域 2 是对极鳍线过渡，它将入射的10TE模的电场集中并旋转 90，成为在有交叠鳍的对极鳍线中传输的准TEM模（如图中的 AA-DD所示），另外，它还将波导的高阻抗转变成低阻抗。区域 3、区域 4 和区域5
14、将对极鳍线逐渐转变成微带线（如图中的 EE-HH 所示），谐振就发生在这些区域。为了消除谐振，在过渡中加入防谐振片 S，如下图中所示，波导-微带对极鳍线过渡结构。此时可将它看成槽长为 L1的槽线谐振器。当槽长21lnL=（l为槽线的波长）时，就产生谐振，所以要选择适当的 L1来避免谐振点。8我们采用下述的近似方法获取过渡的阻抗特性：将过渡段分成若干个小单元，每一个小单元都可等效为一小段传输线和一个二端口网络Ni，如上图所示。运用微波网络知识可求得各个小单元的 iS，再将它们转换成 iT，然后将各个 iT级联相乘，就求得整个渐变段的 T，最终将其转化成 S，即可知该渐变段的阻抗特性。我们知道，对
15、两段特性阻抗不同的 TEM 波传输线级联时，有:1212 2211ZZZZSS+=2121 21122 ZZZZSS+=(1)对非 TEM 传输线，需考虑传播常数的色散特性，其相位延迟( )=dzdttj 0exp，在很小的dz内，有( )dzdttdz=0，这样就可写出所需要分析的对极鳍线过渡段的 S矩阵：ljeZZZZS21212 11 +=ljeZZZZS +=2121 122(1)ljeZZZZS +=2121 2121212 22ZZZZS+=(2)利用下面的公式将每一单元的 iS转变成 iT，即可求得 =niiTT1 21111ST=212212SST=211121SST=()21
16、2211122122SSSSST=(3)最后我们可利用公式求得 S，即可知该过渡的阻抗特性。112111TTS=()112112221112TTTTTS=11211TS=111222TTS=(4) 图 7中，区域 1，10bd(d为上下鳍间距离，b为波导的窄边尺寸)， 波导波长和特性阻抗按非重迭式对极鳍线阻抗公式和传播常数公式计算。 区域 2和区域 3，0bdbw（w为 50微带线宽），波导波长和特性 阻抗按重迭式对极鳍线阻抗公式和传播常数公式计算。区域 4等效为一阻抗变换器来计算，传播常数和阻抗1Z沿用紧邻的上一单元结果，特性阻抗2Z采用下一单元起点的特性阻抗。区域 5等效为一均匀微带传输线来研究。对极鳍线过渡段采用余弦平方的过渡形式，其设计公式为：( )+=LzwbzW2sin22，Lz0(5)式中w为 50微带线的宽度；z为鳍线传输线的纵向坐标；b为波导高度
