概述
1.1 寬帶固態功率放大器
在雷達領域,崛起于上個世紀80年代的有源相控陣技術已經全面替代了傳統的真空管發射機體制,而且依靠其特有的高可靠性和高性能在越來越多的武器系統中發揮了決定性的作用。而空間功率合成技術正是借鑒了相控陣技術的成功經驗,是相控陣技術在功率放大器模塊設計技術的有效延伸。
應識科技開發團隊在賈鵬程博士的帶領下,研發并產業化了基于空間功率合成的小型化2-6GHz,6-18GHz固態寬帶高功率放大器。應識科技寬帶功放具有超寬帶、高輸出功率、高效率、體積小、重量輕的優勢,可廣泛應用于電子對抗、雷達、測試測量等領域。
在電子對抗領域,目前我軍還是延續了上個世紀的真空管技術,可靠性差,需要周期性的加電維護,維護成本高。特別是,目前真空管產業由于在民用應用中越來越窄,已經成為一個夕陽產業,人才匱乏,技術更新緩慢。由于目前裝備發展的需求,核心部件必須國產化,但是國內研制生產單位人才缺乏,技術水平低,導致了產品的可靠性差,大大低于國際先進水平。而且由于該領域的研發投入低,無法在覆蓋到材料、器件和系統的整個產業鏈上實現突破,因此也就無法不斷推出滿足新一代武器系統的核心放大器產品。
針對目前真空管技術帶來的困境,應識科技團隊開創了基于三維設計技術的空間合成技術體系,可以將半導體芯片技術和超寬帶陣列天線技術進行有效的結合,能夠將半導體功率放大器的輸出功率提高上百倍,超越傳統的半導體功率放大器,有效替代真空管技術。
應識科技團隊不斷的完善與改進空間功率合成技術,將半導體功率放大器的尺寸持續降低,最新的成果已經使得功率放大器的尺寸比真空管放大器更加具有優勢。并且由于具有半導體功率放大器的高可靠行特點,避免了使用中需要定期加電維護的問題。特別是在目前國際局勢緊張的態勢下,裝備設計必須考慮實戰的要求,具有高可靠性、小型化和輕型化的功率放大器必然是未來發展的趨勢。
目前最新的一款4通道半導體功率放大器主要技術指標如下:
 
工作頻率:6-18GHz
單通道輸出功率:50W, 80W, 100W
體積:210×190×55mm(4通道整機,每路50W輸出),210×190×55mm(單通道)
重量:4.2Kg(4通道整機),1Kg(單通道功放組件)
 
外形尺寸如下圖示:



圖1  4合路整機外形圖
 
1.2 寬帶功放技術介紹
 
現階段6-18GHz頻段的寬帶高功率放大器主要有兩類技術產品:TWT、固態功率放大器。TWT根據體積重量不同有:傳統TWT、Mini-TWT(MPM);固態放大器根據功率合成技術不同有:固態平面合成功放、固態空間合成功放。
行波管放大器在國外有著較長的使用歷史,當前國外真空管廠家眾多,競爭激烈,不斷的推進技術進步,以滿足新系統的要求,到今天最新的MPM輸出功率可以達到100W以上,重量最小可以達到2公斤。目前國內基于TWT的寬帶高功率微波放大器主要由中國電子科技集團下屬單位提供,其產品種類和銷售金額都遠遠低于國外廠家,目前主要應用是進口成熟產品的替代。
固態功率放大器具有壽命長,適合批量生產等優勢,早在70年代開始,美國政府就持續投入在固態功率放大器方面的研發工作,努力尋找TWT的替代方案。受限于傳統GaAs半導體工藝較低的單片輸出功率及低效的平面功率合成技術,一直缺乏上百瓦輸出功率的固態放大器模塊。但隨著采用GaN半導體工藝芯片輸出功率的提高及空間功率合成的應用,使得固態功率放大器模塊達到百瓦量級成為可能。
 
2. 固態空間功率合成放大器方案與技術介紹
2.1 空間合成功放組件方案介紹
 
6-18G頻段功率最大的GaAs芯片一般只有3-5W左右,即使最新的GaN單片也只能達到10W的量級,為實現更高的功率輸出,必須采用多個器件功率合成。傳統的平面合成方式很難實現大規模的合成,因為合成規模越大損耗越大。本組件采用同軸空間合成技術,得益于空間合成的帶寬寬,合成損耗小、高合成效率的優點,采用多路單片集成電路放大器件合成來實現100W以上的合成輸出功率,效率高、體積小。由于空間合成技術的合成效率最高,使用的單片集成電路放大器最少,因此基于空間合成技術的半導體功率放大器是目前唯一在價格上可以和真空管放大器相當的半導體功率放大器產品。
下圖為末級合成功放,尺寸為100×42×42mm。

圖2  空間合成功放
本方案的關鍵技術是采用了空間合成的功率放大器方案??臻g功率合成是一種將傳統的基于平面電路的設計技術升級為利用三維電磁場進行設計的立體化解決方案。它將多路微波信號在微波波導腔體內的空間中進行功率合成,充分利用了波導損耗小的特點,同時發揮波導阻抗變換靈活的優勢,實現多路數和高效率的功率合成??臻g功率合成技術相比傳統合成技術在成本和體積上有巨大優勢,甚至是在微波、毫米波頻段用半導體器件實現大功率合成的唯一可行方案。
由于空間合成采用陣列天線技術,通過調整天線組件的數量可以很容易實現系列化,目前在相同的尺寸上,可以實現25W,50W和100W的系列功率輸出等級。
 
2.2 空間功率合成技術介紹
 
空間功率合成是指多路微波信號在微波波導腔體內的空間中進行功率合成,充分利用了波導損耗小的特點,同時發揮波導阻抗變換靈活的優勢,實現多路數和高效率的功率合成。由于在帶寬很寬,因此傳統的平面合成損耗過大,而采用低損耗的空間合成方式,可以大大降低合成和分配損耗。例如如果采用傳統的平面二叉樹的合成方式,合成16路功率器件,那么就需要經過4級功率合成,導致合成損耗過大,合成效率大大降低。

(a)平面合成



(b)空間功率合成
圖3  平面合成與空間功率合成
空間合成的優勢在于可以實現多路的直接合成,而不是通過二叉樹多級合成的方式,減少了合成的損耗。例如每一級的二叉樹合成采用wilkinson合成器,電損耗在0.6dB左右,考慮到傳輸線的損耗,總合成損耗約為0.75dB。如果合成16路需要4級合成,總損耗約為3dB。也就是說需要額外增加1倍的功率器件。而應識科技的同軸腔空間合成是16路直接合成為1路,其損耗是固定的。由下圖可以看出,當合成的單元數達到一定程度后,空間合成的輸出功率要大大高于傳統的二叉樹合成。



圖4         用于16路空間合成的功率合成器性能與平面合成對比
上圖展示了采用空間合成的功率合成器,16路功率器件的輸出將通過該功率合成器進行一次合成,具有極高的合成效率。
空間合成的原理結構和實際外觀如下圖所示:

圖5  空間合成原理結構
 
2.3 固態空間合成放大器技術優勢
 
與行波管放大器相比,本技術方案具有如下優勢:
1)極低的供電電壓
空間功率合成技術使用固態管芯 (< 28VDC),而行波管的供電電壓非常高 (>1kV)。這也直接導致應識科技產品的供電電路的可靠性遠高于真空管,復雜性也大大降低簡化。
2)啟動準備時間
固態產品的啟動時間幾乎為零,而行波管放大器至少需幾分鐘。這在戰時對抗時是致命的缺點。
3)可靠性
空間合成固態功率放大器產品的使用壽命達十萬小時級,而行波管放大器的壽命僅數百到幾千小時。
4)頻率帶寬
固態產品的帶寬可以達到10倍頻程,超過TWTA一倍。
5)軟性失效
空間合成采用芯片陣列工作方式,內部有16路通道,即使有幾路MMIC失效,整個模塊仍然工作只是輸出功率減小。行波管放大器只使用一個真空電子管,一旦失效就完全停止工作。
6)耐用性好
真空管的密封性,以及其玻璃結構都導致其極易遭受使用不當或外來環境變化而受損。應識科技產品是基于半導體芯片的技術,耐用性好。
7)AM-PM 失真
我們實際測量數據證明我們的模塊在1DB壓縮點附近都極少出現AM-PM失真,而行波管放大器需要從飽和功率后退16DB或更多以減低AM-PM失真至允許范圍。
8)成本更低
空間合成固態功率放大器使用固態半導體管芯。固態半導體管芯可以大規模使用自動設備生產,其良率 (>90%),一致性極高。行波管仍然處于半自動生產狀態,良率 (<80%),一致性更低。再加上供電電壓的成本差別,以及生產調試的簡化。大批量生產以后,成本可以比TWTA更低。
 
同樣與傳統的固態平面合成功放相比,空間合成功放有如下優勢:
 
1)成本更低
相比于傳統固態放大器使用的高損耗的多級二叉樹合成,空間合成固態功放僅采用一次合成,效率高、損耗低,故同樣的輸出功率可以使用更少的功率芯片,節約了系統成本。通??臻g合成放大器的成本僅為傳統平面合成放大器的60%。
2)效率更高
空間功率合成技術使得整個模塊的插損比傳統的二叉樹結構低約3dB,折合效率可以提高1倍。

  1. 體積更小,重量更輕
     
    由于空間合成功率放大器的效率高,因此需要的散熱器的尺寸和重量都大大低于傳統固態功率放大器,因此體積和重量都可以大大降低。
     
     
     
    下表是以6-18G 100W功率放大器為例對幾種放大器進行對比:
     

 

性能TWTMini  TWT空間合成固態功放平面合成固態功放
體積中等
效率30%25%~20%~10%
供電高壓270V28V28V
可靠性1000小時1000小時>10萬小時>10萬小時
諧波差(-4dBc)差(-4dBc)優(-10dBc)優(-10dBc)
噪聲
可維護性
抗毀性中等
升級便利性非常好中等
預熱時間5min5min
幅相一致性一般

 
3  基于空間合成的功率放大器和其他傳統平面合成功率放大器對比
        
該6-18GHz 50W 固態功放組件是基于公司成熟的6-18G 50W寬帶功率放大器產品基礎上,對產品的體積重量進行優化后,針對不同功率要求,推出的兩款空間合成功率放大器,輸出功率分別為50W和100W。下表為選取國內外知名廠家的平面合成寬帶放大器關鍵指標與程星的空間合成功率放大器進行對比:
 

性能國產: 平面進口:平面應識空間合成 50W應識空間合成 100W
輸出功率 8-15GHz:
50W最低
 8-15GHz:
44W最低
 8-15GHz:
60W最低
 8-15GHz:100W最低
 15-18GHz:30W最低 15-18GHz:44W最低 15-18GHz:50W最低 15-18GHz:80W最低
效率(min)低(9%)中(13%)高(18%)高(16%)
功耗340W330W280W500W
尺寸150*150*45(mm)150*250*38(mm)210*50*55(mm)210*50*55(mm)
重量1Kg2Kg1.0Kg1.2Kg
成本

 
其中國產和進口方案都采用平面合成方式,合成效率低。另外平面合成功放使用時為避免負載出現短路開路情況損壞功放,需要增加隔離器等進行保護,會進一步降低實際有效功率。
對比應識科技采用空間合成的50W到200W放大器與其他廠家的采用平面合成的放大器:空間合成在合成損耗上比平面合成高1dB以上;整機效率上,受合成效率影響,G平面合成的效率也僅是空間合成的一半,同樣輸出功率等級下,平面合成成本也會貴一倍以上。另外整機功耗、尺寸上,平面合成均大于空間合成整機。
可見空間合成相比平面合成在高頻段、大功率產品應用上有更大的優勢。而采用空間合成的技術方案,不僅具有優秀的性能,而且具有明顯的成本優勢。
 
4  結論
由于空間合成技術解決了合成數量的問題,采用一次陣列合成的方法,即使合成單元的數量眾多,合成效率并不受影響,更適合于將大量中小功率的芯片進行高效合成為高輸出功率。該合成方法在合成單元增加的前提下,依然可以保持同樣的整機效率。
而提高了功率放大器芯片的合成效率,意味著在相同輸出功率時,可以使用更少的芯片,有效的解決了生產成本問題,其單位功率對應的生產成本大大優于其他生產工藝。同時,半導體芯片的生產工藝以經非常成熟,經歷了大批量生產和大規模相控陣合成的應用檢驗,有著極高的可靠性。
因此,采用三維空間合成的設計方案是目前最為有效和成本優勢最明顯的選擇。同時將空間合成和新一代的半導體芯片相結合的設計方案可以在不影響安裝體積尺寸的情況下,進一步提高功放的輸出功率等級,適用于需要更大輸出功率的應用場合。


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