Ku频段80 W固态功率放大器的设计与实现

王雷，刘立浩，薛腾，武艳菊

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

Ku频段80 W固态功率放大器的设计与实现

王雷，刘立浩，薛腾，武艳菊

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

针对Ku频段波导尺寸长、波导合成体积大的现状，采用基于双层双对脊鳍线的新型空间功率合成技术，综合运用微带合成、波导合成等多种合成相结合的方式，在Ku频段实现了32路高效、小体积的功率合成。用三维电磁仿真软件CST和热设计软件ICEPAK进行优化仿真，并依托高精度机加工技术，实现了Ku频段1 dB压缩点大于80 W的连续波输出功率。

Ku频段；鳍线；功率合成；热设计

0 引言

在微波／毫米波卫星通信系统中，高功率放大器作为发射链路末端的核心器件，其发射功率的大小直接决定着整个系统的作用距离、抗干扰能力和通信质量。相对于电真空放大器，固态功率放大器因其具有体积小、结构紧凑、电压低、噪声系数小、可靠性高等优点而得到广泛应用。

近年来，随着半导体工艺水平的不断提高，采用GaAs材料的微波单片集成电路得到广泛应用，由于单个微波集成电路芯片的输出功率有限，功率合成技术［1］就成为提高发射机系统输出功率的一种可行技术方案。随着系统工作频率的提高和输出功率的增加，功率合成技术、模块化技术、智能化技术和散热技术仍然是固态功率合成放大器的核心问题。

本文针对Ku频段传统电路合成效率低、波导合成体积大的缺点，采用基于波导双层双对脊鳍线空间功率合成新技术，研制出了一种产品化的Ku频段80 W固态功放，并进行了实测指标具体分析。

1 方案设计

Ku频段80 W固态功放的整机由固态功放模块、衰减器模块（含数控衰减器、压控衰减器）、波导隔离器、耦合检波器、监控模块、电源模块和风机等组成，如图1所示。

图1 Ku频段80 W固态功率放大器整机组成

衰减器由数控衰减器和压控衰减器组成，放置在射频链路的最前端，用以实现自动电平控制（ALC）功能；固态功放模块通过空间功率合成的方式将32个功率芯片的输出功率叠加用以获得80 W的功率输出；输出耦合器将功率合成后的输出功率耦合出2路：一路用于耦合监测，另一路耦合信号进入检波器用以功率检测；监控单元用以调节功放的增益和电平，查询功放的温度和电流等参数；电源模块为固态功放模块提供＋7 V和－5 V电压，为监控模块和衰减器模块提供＋8 V电压，为风机提供＋24 V电压，电源模块上带“EN”使能端，当整机过反射或功放模块超温时，监控模块可通过“EN”端关断电源模块，使固态功放模块停止工作，防止功放模块损坏，并避免非正常信号发射干扰其他信道。

2 关键技术

2.1 功率合成技术

多路高效功率合成技术是决定整个固态功放系统成败的关键因素，低频段的功率合成往往采用微带形式进行合成，但随着频率的升高，介质损耗不断增大，合成损耗随着合成级数的增加而叠加，合成效率显著下降，所以高频率的功率合成通常采用空间功率合成的方式。

国内外学者在此方面做过大量的研究工作，提出了各种各样功率合成［2－6］的方式，各有其优缺点，本文在立足于工程应用的基础上提出了一种全新的多种形式相结合的空间功率合成方案，其合成路数达32路，合成效率高于90%。

首先，功率合成采用模块化思路，将双层双对脊鳍线［7－9］与威尔金森功分器相结合构成8路合成，其原理框图如图2所示。

图2 8路功率分配／合成原理

双层双对脊鳍线空间功率合成是采用托盘型空间功率合成结构，使用宽带行波天线来改进系统在波传播方向的性能。每一个托盘都包含了一些鳍线和鳍线转换器，它采用渐变鳍线作为收发天线，通过优化鳍线基片的厚度，鳍线之间的距离以及曲线的弯曲程度，能够保证良好的宽带性能和良好的系统隔离度，这些鳍线或者鳍线转换器把电磁波从波导内耦合到MMIC放大器的输入端，经过MMIC芯片放大后再把功率通过鳍线和波导输出。该空间功率合成放大器的突出优点是通过天线辐射的方式在完成波导—微带过渡的同时实现了多路功分，合成效率显著提高，合成路数不再受固态器件数量的限制，使得该技术特别适合于高效、宽带、小体积、轻重量的大功率空间功率合成放大器的研制。在双层双对脊鳍线功率分配／合成的基础上，在4路功分器的每一支路中加入传统的威尔金森微带功分器，使得双层双对脊鳍线实现了8路功率合成。

8路功率合成仿真结果如图3所示，通过仿真结果可以看出，在13.5～15 GHz的频段范围内，插入损耗小于0.1 dB，回波损耗小于－20 dB，具有良好的功分和过渡功能。

在8路功率合成仿真的基础上加工制作了8路功率合成放大模块，将8个4 W的功率芯片进行了功率合成，其实物图如图4所示，经测试，在13.5～15 GHz频率范围内，1 dB压缩点输出功率大于30 W。

图3 8路功率分配／合成仿真结果

图4 8路功率分配／合成模块实物

为了进一步增加放大器的输出功率，在8路功率合成模块的基础上采用波导空间结构再次进行合成。本文利用一种经过改进的波导H－T结功分器［11］作为基础单元，采用二级级联的结构组成4路功率分配／合成网络，将4个30 W的功放模块进行功率合成，其输出功率大于50.5 dBm（112 W）。Ku频段80 W功放模块级合成的结构框图和实物图如图5和图6所示。

图5 Ku频段80 W功放模块级合成的结构

图6 Ku频段80 W功放模块实物

2.2 热设计

功率放大器是系统中的大功率设备，单位面积上的功率密度很高，功率放大器的可靠性在很大程度上依赖于其功放结构的热设计，良好的散热设计可以有效扩展功率放大器的工作温度范围；反之，不良的热设计将导致系统内部热量在某一区域内集聚，常温下都有可能使得个别关键部件因散热不畅而失效。热设计的原则就是在热源及耗散空间之间建立一条尽可能低的热阻通道，使系统产生的热量在尽可能短的时间内导出至耗散空间，使系统温度保持在较低的热平衡状态［10］。

Ku频段80 W固态功放系统采用GaAs微波晶体管作为基础功率单元，功率晶体管的结温和沟道温度是影响器件性能和稳定性的重要参数。该固态功放系统的热量主要集中在4个功放模块中，经计算4个功放模块总热流量为576 W，功放模块与散热器表面的接触面积为256 cm2，所以散热器表面的热流密度为2.25 W／cm2。根据热流密度及总体设计要求，系统采用强迫风冷的方式进行散热，为了提高散热效果，采取以下多种措施来确保系统的稳定工作：

①将功放模块平铺在散热器上，尽量增大热源与散热器的接触面积；

②高的平面加工精度要求，保证功放模块与散热器接触面的平整光滑，减小接触热阻；

③在散热器中填充高导热率材料，使功放模块导出的热量均匀分布在散热器中；

④合理设计散热器肋片，尽量增大穿过散热器肋片间的空气流量和风速。

结合上述散热措施，在55°C的环境温度下对工作在饱和输出功率状态下的功率放大器进行热仿真，结合ICEPAK软件的特性，对功率放大器模型进行了一些简化处理，该功率放大器的主要热源集中在功放模块和电源模块上，首先将功放模块和电源模块的最大功耗输入到软件中，然后再输入风扇风量—风压（P-Q）曲线等参数，最后对仿真模型划分非结构化网络并计算。

从仿真结果来看，当外界环境温度为＋55℃时，功放模块传感器位置的温升约为22.2°C。经过测试，按照此种方法设计出来的功放系统实际温升与仿真结果基本吻合，满足系统散热要求。

2.3 工程实用性设计

在工程应用中，Ku频段80 W固态功放系统作为通信链路的关键设备，需要长时间连续工作在户外环境中，这就需要对功放系统设计合理的监测控制功能和保护功能，以提高整个功放系统的操作性和稳定性。

通过安装在各个关键部位的参数传感器，功放系统内的监控单元可以实时地监测功放系统的输出功率、功放模块的温度和电流，并将这些信息上报给主站监控供操作人员参考。当输出功率异常、功放模块温度或电流超过设定的温度和电流时，监控单元将发出指令，使功放系统启动保护功能，隔离功放模块单元，保护功放模块不被损坏。

在射频链路的最前端安装有高精度可调衰减器，通过监控单元可以对功放系统的增益电平进行调节，并实现自动增益控制功能（ALC），使功放系统的输出功率在环境温度和输入电平发生变换时保持基本稳定。

3 测试结果分析

根据上述关键技术，最终研制出了Ku频段80 W固态功率放大器，固态功率放大器充分考虑了工程和产品化设计，采用220 V交流供电，具有标准的外形结构，配备了标准的输入、输出接口、耦合接口、监控网口和CAN口等。

根据要求对功放系统的各项性能指标进行了全面测试，其主要测试指标如表1所示。

表1 测试指标

测试结果表明，在Ku频段13.5～15 GHz的频率范围内，该固态功率放大器1 dB压缩点输出功率大于50.5 dBm（112 W），功率合成效率高于90%，具有体积小、易散热、易加工和可靠性高等优点。因所使用芯片非线性特性的局限性，同时为了满足整机三阶互调－25 dBc的要求，该固态功率放大器作为80 W输出使用。

4 结束语

本文研制了一种基于空间功率合成的Ku频段固态功率放大器，并给出了测试结果。该固态功率放大器在Ku频段13.5～15 GHz的频率范围内，通过空间功率合成技术实现了1 dB压缩点输出功率大于112 W（50.5 dBm），功率合成效率高于92.2%，整机效率高于20%，整机重量小于11.5 kg。该固态功放系统的设计面向工程化应用，具有标准的接口，且通过了高温、低温、振动、电磁兼容和盐雾等各项试验，各项指标均满足设计要求，具有广阔的市场应用前景。

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Design and Implementation of a Ku-band 80 W Solid-state Power Amplifier

WANG Lei，LIU Li-hao，XUE Teng，WU Yan-ju
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

Considering the problems of large waveguide dimensions and large volume waveguide synthesis of Ku-band，32-way power combining is achieved with small volume and high efficiency by adopting a new spatial power combining technology based on double antipodal fin-line，and by combining a variety of synthesis methods such as microstrip synthesis and waveguide synthesis.A con-tinuous wave power greater than 80 W at 1 dB compression point in Ku-band is achieved by means of three-dimensional electromagnetic simulation software CST and thermal design software ICEPAK as well as high-precision processing technology.

Ku-band；fin-line；power combining；thermal design

TN74

A

1003－3106（2015）11－0073－04

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.11.19

王 雷，刘立浩，薛 腾，等.Ku频段80W固态功率放大器的设计与实现［J］.无线电工程，2015，45（11）：73－76.

王 雷男，（1982—），硕士，工程师。主要研究方向：微波毫米波射频电路。

2015-08-05

刘立浩男，（1978—），硕士，高级工程师。主要研究方向：微波毫米波射频电路。