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第48卷第1期（总第187期）2019年3月火控雷达技术Fire Control Ｒadar TechnologyVol.48No.1（Series 187）Mar.2019接接接收收发发射射技技术术收稿日期：2018-11-30作者简介：周海进（1981－），男，博士研究生。
研究方向为微波毫米波收发系统技术。
一种Ku 波段固态功率放大模块的设计周海进马云柱张思明王嘉煜（西安电子工程研究所西安710100）摘要：文中介绍了一种Ku 波段固态功率放大模块的研制思路，详细阐述了功率放大链路的组成方案，以及基于波导E 面T 型分支和H 面波导裂缝电桥的混合式4路功分/合成网络的设计方法。
制作了实物样机并进行了相关测试，结果表明模块在Ku 波段14%的相对带宽范围内可实现大于130W 的脉冲输出功率，合成效率大于90．2%，验证了设计方法的正确性和有效性。
关键词：Ku 波段；固态功率放大模块；波导E 面T 型分支；H 面波导裂缝电桥中图分类号：TN95文献标志码：A 文章编号：1008－8652（2019）01－062－04引用格式：周海进，马云柱，张思明，王嘉煜．一种Ku 波段固态功率放大模块的设计［J ］．火控雷达技术，2019，48（1）：62－65．DOI ：10．19472/j．cnki．1008－8652．2019．01．013Design of a Ku-band Solid-state Power Amplifier ModuleZhou Haijin ，Ma Yunzhu ，Zhang Siming ，Wang Jiayu （Xi'an Electronic Engineering Ｒesearch Institute ，Xi'an 710100）Abstract ：In this paper ，design conception of a Ku-band solid-state power amplifier module is introduced．Compo-sition scheme of the power amplifier chain is described in detail．In addition ，design of a four-way hybrid divider /combiner network based on E-T waveguide branch and H-plane waveguide slot bridge is introduced in detail．Aphysical prototype has been fabricated and tested．Test results show that the proposed amplifier module can achieve a pulse output power of over 130W and a synthesis efficiency of over 90．2%within 14%relative bandwidth range of Ku band ，which proves the validity of the design．Keywords ：Ku-band ；solid-state power amplifier module ；E-T waveguide branch ；H-plane waveguide slot bridge0引言固态功率放大模块是雷达、通信及导航系统中的核心部件，其发射功率的大小直接决定了系统的作用距离、抗干扰能力及通信质量。
Ku波段宽带固态功率放大器蔡昱;冯鹤;曹海勇【摘要】近年来,随着科学技术的发展,功率合成技术发展迅猛,多种合成方案被提出来,有微带线合成、波导腔合成、辐射线合成等等,但都有各自的优势和不足.文章介绍了一种Ku波段宽带固态功率合成放大器的工程实现.固放采用多芯片多级合成,根据工程应用的实际要求,每级合成采用了不同的合成方式.文章所研究合成功率放大器的基本单元模块由两个功率芯片通过Lange桥合成,在装入壳体合成之前单独调试,确保功率和相位基本一致后再用波导合成器进行功率合成.最后通过8路E面波导功分器将9W模块的功率合成在Ku波段宽带范围内大于60W的功率输出,测试数据和模拟数据基本吻合.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2011(011)002【总页数】4页(P30-33)【关键词】固态功率放大器;Lange桥;MMIC;波导功分器【作者】蔡昱;冯鹤;曹海勇【作者单位】南京电子器件研究所微波与毫米波专用模块电路研发部,南京,210016;南京电子器件研究所微波与毫米波专用模块电路研发部,南京,210016;南京电子器件研究所微波与毫米波专用模块电路研发部,南京,210016【正文语种】中文【中图分类】TN72在上个世纪40～50年代随着真空电子管技术的巨大进步，可在微波和毫米波频段获得大功率的微波电子管在军事和通信领域获得了广泛的应用。
但是在低噪声接收方面，电子管领域却始终找不到突破口，这主要与热电子流的随机起伏大、难于有效控制有关。
固态微波器件与电真空器件相比具有较小体积和重量、较低的工作电压、较长的使用寿命等特点，而且通常没有真空度和磁场的要求。
随着半导体材料和制造工艺的进步，人们在固态微波功率器件领域取得了突飞猛进的进展，在小功率范围全部取代了电真空器件，但是在大功率领域固态微波器件与电真空器件相比输出功率小3～4 个数量级，这使得固态微波功率器件在大功率领域的使用受到了限制，而固态功率合成技术可以使固态发射机的功率提高2～3 个数量级。
- 23 -高 新 技 术０ 引言随着通信、雷达及电子对抗无线系统的飞速发展，系统对高效、宽带大功率功放的需求与日俱增，大功率功放作为微波、毫米波发射链路中的核心设备，其发射功率和线性度决定了系统的工作效能，同时其理论与技术一直是业界研究的热点。
多年来，要在微波、毫米波频段获得大功率输出，必须依靠电真空器件（例如行波管、磁控管及速调管等）功率放大器。
但随着微波单片集成电路（MMIC） 以及功率合成技术的发展，固态功放的输出功率已经可以达到与行波管放大器相同的水平，并且在使用寿命、工作电压以及可靠性等方面与前者相比具有明显的优势[1]。
因此，固态功放备受关注，它的应用范围也日益广泛，其已经成为微波、毫米波功放发展的主流技术路线。
该文介绍了1种对Ku 波段200 W 线性固态功放工程的研制，其连续波输出功率可达200 W，且输出效率高达20%，三阶互调线性度可达-26 dBc@50 dBm，谐杂波抑制度可达-60 dBc 以上。
此外，固态功放还具有完善的人机交互及监控保护功能，可生产性和工程实用性较强。
１ 整机方案设计及工作原理固态功放由射频预失真驱动单元、Ku 波段200 W 末级功放单元、功率检测单元以及电源和监控处理单元等部分组成，并将其集成于密闭的喷漆铝材机箱内，可以在室内外的工程中使用，其原理框图如图1所示。
该固态功放同时具有过压、过流、过激励、过反射以及过温等告警保护功能，并采用内嵌式操作界面控制的方式，具有高效的多任务处理能力。
该固态功放的主要功能是将来自卫星地面的变频器设备所输出的射频信号进行功率放大，使信号能量足以有效地发射到卫星转发器，以此满足卫星通信的功率需求。
将来自卫星地面的变频器设备所输出的射频信号连接到该功放射频输入端，经射频预失真驱动单元、Ku 波段200 W 末级功放单元逐级放大后，最终实现70 dB 的增益以及200 W 的功率输出。
１．１ 射频预失真驱动单元设计在测控及通信等应用领域，固态功放的线性度是除功率之外另外1个非常重要的指标，它会直接影响系统的测控精度和通信质量[1]。
Ku波段多通道收发组件设计徐森锋;吴亮亮【摘要】阐述了一种包含四路接收通道和一路发射通道的Ku波段收发组件的工作原理,并对组成的单元电路和关键技术进行了分析.试验结果表明,在2 GHz带宽和-55～+85℃温度下,发射通道输出功率为(31±1)dBm,带内功率平坦度≤±0.5 dB,开关隔离度≥90 dB;接收通道增益为(30±1)dB,噪声系数≤5.0 dB,通道隔离度≥60 dB.测试结果表明,方案切实可行,满足使用要求.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2016(029)008【总页数】3页(P36-38)【关键词】Ku波段;收发组件;多通道;发射通道;接收通道【作者】徐森锋;吴亮亮【作者单位】中国电子科技集团公司第13研究所科技处,石家庄050051;中国电子科技集团公司第13研究所科技处,石家庄050051【正文语种】中文【中图分类】TN92收发组件是现代无线通信系统中的重要组成部分。
其质量影响整个通信系统的通信效果，同时对整个系统的动态性能起到关键作用。
收发组件通常由发射通道和接收通道两部分组成。
发射通道的主要作用是将调制后的中频信号变频至射频信号，再进行放大滤波等处理，使信号达到一定功率输出。
发射通道的主要指标是发射功率、带内平坦度、三阶互调等；接收通道的主要作用是从空间接收到的电磁波中选出有用信号，变频至中频信号并放大滤波输出。
接收通道的主要指标是噪声系数、增益、动态范围、抗干扰能力等。
多路通道还必须考虑通道之间的幅相一致性、通道隔离度等指标[1-2]。
收发组件主要包括发射通道、接收通道、DC/DC电源转换和驱动电路等单元。
其中发射通道和接收通道射频电路相互独立，共用DC/DC电源转换和驱动电路。
发射通道对输入的Ku波段信号进行放大处理，电路组成包括微波开关、推动级放大器、末级功率放大器等。
接收通道[3-4]对输入的Ku波段信号进行下变频处理，包含3路主通道(1路和通道和2路差通道)和1路辅助通道。
第31卷 第6期2008年12月电子器件Chinese J ournal Of Elect ron DevicesVol.31 No.6Dec.2008Design and Implementation of a K u 2B and Solid 2State H igh 2Speed Pulse Pow er AmplifierW A N G Chao ,C H EN X i ao 2g uang3(Depart ment of Communication Science and Engineering ,Fu dan Uni versit y ,S hanghai 200433,China )Abstract :A design scheme of Ku 2band solid 2state high 2speed p ulse power amplifier is presented.Driver cir 2cuit and bias circuit of GaAs P H EM T PA module are designed elaborately t hrough analysis of P H EM T module.Implementatio n of t he entire system and measured result s of major parameters is mainly given.Pulse rise time of t he power signal is 4ns and switching isolation is 70dB.G ood performance in modulation speed ,isolation and reliability proves t he feasibility of t he design.K ey w ords :p ulse power amplifier ;high speed ;gate 2cont rolled technology ;p ulse rise time ;P H EM T ;switc 2hing isolation EEACC :1220;2570Ku 波段固态高速脉冲功率放大器的设计与实现王 超,陈晓光3(复旦大学通信科学与工程系,上海200433)收稿日期:2008202229作者简介:王 超(19832),男,硕士生在读,主要研究方向为无线移动通信、RF 电路,cantone @ ;陈晓光(19642),男,副教授,硕士生导师,主要研究方向为无线移动通信、RF 技术,xgchen99@摘 要:提出一种Ku 波段固态高速脉冲功率放大器的设计方案。
Ku波段波导内空间功率合成功率放大器
杨作成;李楠;孟旭东
【期刊名称】《通讯世界：下半月》
【年(卷),期】2015(000)001
【摘要】随着散射通信技术的发展,对Ku频段通信系统的发射功率的要求越来越大。
目前在散射通信系统Ku频段上广泛使用的功率放大器多为平面电路合成,电路合成由于传输线损耗以及电路结构随器件数量增加成非线性增长,其能够合成的固态器件数目受到限制,不能满足散射通信发射功率要求。
本文介绍了一种功率容量能达到40W,散热能力达到140W,体积较小、结构设计简单、装配加工方便、性能稳定的一种Ku波段功率放大器。
【总页数】2页(P52-53)
【作者】杨作成;李楠;孟旭东
【作者单位】中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081
【正文语种】中文
【中图分类】TN73
【相关文献】
1.一种新型Ku波段波导-微带功率合成器
2.基于基片集成波导的Ku波段波导微带转换结构
3.Ku波段波导内空间功率合成功率放大器
4.Ka频段波导内空间功率合成功率放大器设计
5.一种径向波导Ku波段空间功率合成器的设计和实现
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Ku波段2KW脉冲固态功放实施方案报告1、主要技术指标要求Ku频段脉冲固态功放系统主要技术指标：1.工作频率：12～18GHz；2.输入激励：0dBm3.输出峰值功率：≥2KW4.占空比：10%（max）；5.工作脉冲宽度：0.8～50us；6.输入驻波：2:1 typ.；输出驻波：2:1 typ.；7.杂散：-50dBc typ.；8.保护功能：功放要加隔离器，功放具有过载、开路、过驻波、过温自动断电保护功能；9.控制功能：RS232串口：每频段功放都各有一个，上位机可通过AT命令读取功放温度、电压、电流参数；读取功放状态代码等；具体功能定义，双方协商确定。
并口：8位，TTL电平。
具有控制功放使能、强行关电等功能。
具体功能定义，双方协商确定。
10. 功率指示：每个功放都有经过耦合器的输出信号，该输出信号供功率计指示用。
11. 接口：电源接口：圆形连接器（具体型号待定）功率指示输出：N-K；RS232串口：圆形连接器（Y50X-1010ZJ2-9.5）；并口（IDE10）：圆形连接器（Y50X-1010ZJ2-9.5）；脉冲信号输入：SMA-K（TTL电平）射频输入：N-K射频输出：波导BJ140（WR62）；12. 输入电源：VDC 28V，主电源VAC380转VDC28；13. 散热：液冷散热方式；14. 工作环境温度范围：-20ºC～+50 ºC；相对湿度：小于95%高度：小于3600米AMSL；15. 体积：19英寸机架，高度1.5米。
2、设备组成及工作原理2.1设备组成Ku频段固态发射机由固态功放模块、电源及控制保护模块组成。
固态功放模块由输入N-K头插座、输入调制信号SMA插座、输入级隔离器、驱动功放、隔离器、40路径向波导功率分配器、40个末级功放、40路径向波导功率合成器、隔离器、耦合器、WR62波导输出口构成。
电源及控制保护模块由DC/DC部分、加电保护、脉冲储能、状态监控和检测部分组成。
其中脉冲调制功能采用分布式脉冲电压调制方式，即驱动功放和每个末级功放都带有单独的脉冲电压调制板（PVM）。
Ku频段固态发射机基本原理框图如图1所示。
图1 Ku频段固态发射机系统框图2.2工作原理KU频段固态发射机由固态功放模块、电源及控制保护模块两部分组成。
其工作流程：输入的射频信号经机箱的N型头插座，经过机箱内电缆进入输入隔离器、经过驱动功放放大到一定功率电平经40路波导功率分配器来推动末级功放；末级功放由8个MMIC功率合成模块构成，其输出功率约67W，40个末级功放最后由40路波导功率合成器进行功率合成；功率合成后，经过隔离器、定向耦合器最后到发射机输出波导口。
电源及控制保护模块由DC/DC部分、加电保护、储能部分、状态监控和检测部分组成。
电源部分给各功放组件、控制保护板、控制保护模块实现功放的开关、控制、保护、状态显示功能。
发射机中的功放设备是脉冲调制放大器，考虑到对上升沿和下降沿的指标恶化问题，设计中把脉冲电压调制（Pulse Voltage Modulation, PVM）板单独设计并紧贴安装在各功放组件的外侧，以减少电源线的电感效应。
3、系统设计及指标分配3.1系统设计KU频段固态发射机系统由固态功放模块、电源及控制保护模块两部分组成。
下面详细阐述系统的实施方案。
整机设计理念贯彻六性三化要求：可靠性、维修性、可测试性、保障性、安全性、环境适应性、模块化、通用化、组合化。
3.1.1固态功放模块设计1）链路设计固态功放模块由输入隔离器、驱动功放、级间隔离器、40路径向波导功率分配器、40个末级功放、40路径向波导功率合成器、隔离器、定向耦合器、输出波导口组成。
输入隔离器在功放与前级模块互联时起隔离保护作用，驱动功放由三级放大组成，其中第一、第二级为前级MMIC，第三级为2个末级功放模块功率合成实现，达到一定的功率电平来推动后级的末级功放模块；根据工作频段、输出功率、研制周期要求，选用GaN MMIC，该器件的输出功率可达10W，功率增益约16dB，在工作频率电源效率可达20%。
末级功放由8个该MMIC器件功率合成实现，40个末级功放再由40路径向波导合成器来完成总的功率合成；输出增加隔离器是为与天线保证良好的隔离，防止反射功率烧毁功放；输出增加定向耦合器是为检测正向输出功率实施功率检测功能和驻波比保护。
2）射频功率放大电路的设计脉冲峰值输出功率不小于2KW即要求输出信号不小于63dBm。
输入功率0dBm。
可得出固体发射机的增益应不小于63dB。
在电路总体指标分配原则指导下，射频放大电路的设计进一步分解为驱动放大级的设计和主功放电路的设计两部分。
驱动放大级由三级级联而成，第一、第二级提供增益，第三级采用了与主功放类似的基础模块电路。
故这里不作阐述。
下面主要叙述末级主功放模块67W的设计。
3）Ku波段67W末级电路设计a)整体设计考虑在这个项目中，我们集成平面电路合成与波导合成相结合的MMIC功放集成模块，利用这些结构，我们能够直接集成多个MMIC以获得较大的功率但仍保持较小的模块尺寸。
它包括有同相的wilkson微带合成、波导合成器，8只MMIC被紧凑地装配到这个模块中，产生大功率，合成效率大于93%，并实现了相位的转换和通道的隔离。
放大器的合成效率是由各组成模块的输出功率幅度和相位所决定的，所以必须对每个独立的MMIC模块进行细调和筛选，将输出功率信号幅度和相位都在可接受范围内的模块再进行组合。
90°相差混合耦合器合成器尽管尺寸偏大，但两输出口可以隔离。
正是考虑到它的隔离特性，我们选用它作为MMIC模块合成结构。
可以使MMIC 功放模块的输入输出回波损耗也很小，并且能为大功率放大器提供散热的附加热容体。
在第二级合成器中使用混合耦合器，由此各输出口之间有隔离而且整个固态发射机输入输出口驻波比系数良好，使得固态发射机各模块功率合成的集成问题减少。
功率有效合成的成功取决于以下四点：MMIC单片的幅度、相位合成器支路幅度、相位的平衡分析设计合成器的低插入损耗良好的阻抗匹配以减少合成电路中的奇模影响 对合成器采用对称设计和精密机件加工，以保证合成器各支路在相位和波幅上的平衡；采用E面波导T接头以减小插入损耗。
对波导不连续性和微带探针过渡进行三维电磁仿真，以达到更好的阻抗匹配。
设计功放模块的另一个关键就是阻抗匹配网络的设计。
在任何一个功率放大模块的设计中，错误的阻抗匹配网络将使电路不稳定，同时会使电路效率降低和非线性失真加大。
在设计功率放大模块匹配电路时，匹配电路应该同时满足匹配、谐波衰减、宽带、小驻波、线性及实际尺寸等多项要求。
输出匹配电路主要应具备损耗低，谐波抑制度高，改善驻波比，提高输出功率及改善非线性等功能。
输出匹配电路确定后，功率放大模块的输出功率及效率基本确定了，但是它的增益平坦度并不一定满足指标要求。
这需要合理设计输入匹配电路以便使增益平坦度满足要求。
设计输入匹配电路时，还考虑到输入驻波比不能太大。
b)67W模块整体设计框图及指标分解KU波段67W模块由8路MMIC功率合成。
系统合成采用二级合成方式，第一级波导空间合成器包括H面和E面3dB耦合器，波导空间功率合成具有优异的合成效率和幅相一致性；为增加功率合成密度，第二级采用微带平面合成方式，本设计中采用同相wilkinson合成器来实现功率合成。
整体设计框图如下图所示。
具体的指标核算如下：每个MMIC的输出功率为40dBm，功率增益为16dBm；8路MMIC功率合成理论合成增益为：10log8=9dB，考虑到波导-微带过渡转换损耗、wilkinson微带合成器、波导合成器总损耗0.5dB，则8路合成器实际增益为：9-0.5=8.5dB，即合成效率为90%，在以上损耗中已考虑实际的幅度和相位一致性。
这里考虑0.2dB的功率余量，则8路MMIC功率合成后总功率输出为：40dBm+8.3dB=48.3dBm（67W）下图中也显示了详细的功率和增益链路计算过程。
图2 KU 波段67W 功率合成模块原理框图c) 内部模块仿真设计在4路MMIC 功率合成设计中，主要包括H 面耦合器设计、wilkinson微带合成器设计、波导-微带过渡设计。
下面阐述以上主要模块的设计原理图和仿真结果。
H 面耦合器结构图H面耦合器仿真结果Wilkinson合成器Wilkinson合成器驻波与隔离度Wilkinson 合成器损耗波导-微带过渡波导-微带过渡仿真结果4）40路径向波导合成器设计最大限度地提高合成效率是设计、研制功率合成放大器的重点和难点。
对合成效率影响的主要因素有：合成信号的幅度、相位一致性、合成网络的损耗。
因此，在功率合成电路中，为了达到较高的合成效率，除了保证各个合成信号具有很好的幅度、相位一致性外，设计低插损的功率合成网路是至关重要的。
径向波导合成与常规的二进制合成不同，它采用直接一次性合成，该方案的输出端为圆波导，工作模式选择TE01模。
TE01模具有无轴向电流、传输损耗小、电场轴对称的特点，这是采用径向波导进行功率分配时幅度一致性和相位一致性好的原因。
输入波导为标准矩形波导，工作模式为主模TE10。
为了兼容标准矩形波导，合成输出的圆波导TE01模式需转换为矩形TE10模式。
径向波导功率合成技术具有宽带、低损耗、高效率、小尺寸、良好的幅度和相位平衡性、可以合成任意数量且合成数量增加时效率稳定、容易散热等优点，可以满足微波、毫米波宽带、大功率的需求。
采用这种新型的合成技术可以实现毫米波千瓦量级的固态功放。
本项目设计采用40路径向波导功率合成器方案，具体的设计简图结构（省略）和初步的仿真结果如下图所示。
40路径向波导合成器S11仿真结果40路径向波导合成器各路损耗仿真结果40路径向波导合成器各路相位仿真结果3.1.2电源及控制保护模块设计1）整体设计考虑电气设计在发射机工程设计中占有十分重要的地位，它关系到系统能否有效工作，是解决电源供电有限与发射机用电需求过高这一矛盾的关键。
由于微波固态发射机一般工作电压较低，而其每个功放模块的峰值功率要求都在百瓦以上的数量级，由若干此类模块组合成的固态发射机对电源的峰值功率要求可能达到千瓦以上的数量级，如此大的电流如果仅仅由电源本身提供是很浪费的，这就要求电源在设计的过程中考虑到其是否具有储能功能。
另外由于 GaN FET 加去电时需考虑时序关系，电源的设计必须要考虑到供电与去电的时序，否则对于发射机功放组件是极其危险的，如果加去电时序不对很可能造成发射机功放芯片烧毁，导致其无法工作。
固态发射机因为其方便维修而得到很多好评，但是由于此类发射机一般会有若干个功放组件构成，当其出现无法正常工作时能够迅速检测到发生故障的组件并能加以维修极其重要，此时设计发射机电源时其是否具备检测功能就显得不可或缺。
