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：0dBm
4.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。
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）
