如何将相控阵技术用于功放设计?空间功率合成技术简介

2017-03-20 来源:微波射频网 我要评论(0) 字号:

概述
1.1 宽带固态功率放大器
在雷达领域,崛起于上个世纪80年代的有源相控阵技术已经全面替代了传统的真空管发射机体制,而且依靠其特有的高可靠性和高性能在越来越多的武器系统中发挥了决定性的作用。而空间功率合成技术正是借鉴了相控阵技术的成功经验,是相控阵技术在功率放大器模块设计技术的有效延伸。
应识科技开发团队在贾鹏程博士的带领下,研发并产业化了基于空间功率合成的小型化2-6GHz,6-18GHz固态宽带高功率放大器。应识科技宽带功放具有超宽带、高输出功率、高效率、体积小、重量轻的优势,可广泛应用于电子对抗、雷达、测试测量等领域。
在电子对抗领域,目前我军还是延续了上个世纪的真空管技术,可靠性差,需要周期性的加电维护,维护成本高。特别是,目前真空管产业由于在民用应用中越来越窄,已经成为一个夕阳产业,人才匮乏,技术更新缓慢。由于目前装备发展的需求,核心部件必须国产化,但是国内研制生产单位人才缺乏,技术水平低,导致了产品的可靠性差,大大低于国际先进水平。而且由于该领域的研发投入低,无法在覆盖到材料、器件和系统的整个产业链上实现突破,因此也就无法不断推出满足新一代武器系统的核心放大器产品。
针对目前真空管技术带来的困境,应识科技团队开创了基于三维设计技术的空间合成技术体系,可以将半导体芯片技术和超宽带阵列天线技术进行有效的结合,能够将半导体功率放大器的输出功率提高上百倍,超越传统的半导体功率放大器,有效替代真空管技术。
应识科技团队不断的完善与改进空间功率合成技术,将半导体功率放大器的尺寸持续降低,最新的成果已经使得功率放大器的尺寸比真空管放大器更加具有优势。并且由于具有半导体功率放大器的高可靠行特点,避免了使用中需要定期加电维护的问题。特别是在目前国际局势紧张的态势下,装备设计必须考虑实战的要求,具有高可靠性、小型化和轻型化的功率放大器必然是未来发展的趋势。
目前最新的一款4通道半导体功率放大器主要技术指标如下:
 
工作频率:6-18GHz
单通道输出功率:50W, 80W, 100W
体积:210×190×55mm(4通道整机,每路50W输出),210×190×55mm(单通道)
重量:4.2Kg(4通道整机),1Kg(单通道功放组件)
 
外形尺寸如下图示:



图1  4合路整机外形图
 
1.2 宽带功放技术介绍
 
现阶段6-18GHz频段的宽带高功率放大器主要有两类技术产品:TWT、固态功率放大器。TWT根据体积重量不同有:传统TWT、Mini-TWT(MPM);固态放大器根据功率合成技术不同有:固态平面合成功放、固态空间合成功放。
行波管放大器在国外有着较长的使用历史,当前国外真空管厂家众多,竞争激烈,不断的推进技术进步,以满足新系统的要求,到今天最新的MPM输出功率可以达到100W以上,重量最小可以达到2公斤。目前国内基于TWT的宽带高功率微波放大器主要由中国电子科技集团下属单位提供,其产品种类和销售金额都远远低于国外厂家,目前主要应用是进口成熟产品的替代。
固态功率放大器具有寿命长,适合批量生产等优势,早在70年代开始,美国政府就持续投入在固态功率放大器方面的研发工作,努力寻找TWT的替代方案。受限于传统GaAs半导体工艺较低的单片输出功率及低效的平面功率合成技术,一直缺乏上百瓦输出功率的固态放大器模块。但随着采用GaN半导体工艺芯片输出功率的提高及空间功率合成的应用,使得固态功率放大器模块达到百瓦量级成为可能。
 
2. 固态空间功率合成放大器方案与技术介绍
2.1 空间合成功放组件方案介绍
 
6-18G频段功率最大的GaAs芯片一般只有3-5W左右,即使最新的GaN单片也只能达到10W的量级,为实现更高的功率输出,必须采用多个器件功率合成。传统的平面合成方式很难实现大规模的合成,因为合成规模越大损耗越大。本组件采用同轴空间合成技术,得益于空间合成的带宽宽,合成损耗小、高合成效率的优点,采用多路单片集成电路放大器件合成来实现100W以上的合成输出功率,效率高、体积小。由于空间合成技术的合成效率最高,使用的单片集成电路放大器最少,因此基于空间合成技术的半导体功率放大器是目前唯一在价格上可以和真空管放大器相当的半导体功率放大器产品。
下图为末级合成功放,尺寸为100×42×42mm。

图2  空间合成功放
本方案的关键技术是采用了空间合成的功率放大器方案。空间功率合成是一种将传统的基于平面电路的设计技术升级为利用三维电磁场进行设计的立体化解决方案。它将多路微波信号在微波波导腔体内的空间中进行功率合成,充分利用了波导损耗小的特点,同时发挥波导阻抗变换灵活的优势,实现多路数和高效率的功率合成。空间功率合成技术相比传统合成技术在成本和体积上有巨大优势,甚至是在微波、毫米波频段用半导体器件实现大功率合成的唯一可行方案。
由于空间合成采用阵列天线技术,通过调整天线组件的数量可以很容易实现系列化,目前在相同的尺寸上,可以实现25W,50W和100W的系列功率输出等级。
 
2.2 空间功率合成技术介绍
 
空间功率合成是指多路微波信号在微波波导腔体内的空间中进行功率合成,充分利用了波导损耗小的特点,同时发挥波导阻抗变换灵活的优势,实现多路数和高效率的功率合成。由于在带宽很宽,因此传统的平面合成损耗过大,而采用低损耗的空间合成方式,可以大大降低合成和分配损耗。例如如果采用传统的平面二叉树的合成方式,合成16路功率器件,那么就需要经过4级功率合成,导致合成损耗过大,合成效率大大降低。

(a)平面合成



(b)空间功率合成
图3  平面合成与空间功率合成
空间合成的优势在于可以实现多路的直接合成,而不是通过二叉树多级合成的方式,减少了合成的损耗。例如每一级的二叉树合成采用wilkinson合成器,电损耗在0.6dB左右,考虑到传输线的损耗,总合成损耗约为0.75dB。如果合成16路需要4级合成,总损耗约为3dB。也就是说需要额外增加1倍的功率器件。而应识科技的同轴腔空间合成是16路直接合成为1路,其损耗是固定的。由下图可以看出,当合成的单元数达到一定程度后,空间合成的输出功率要大大高于传统的二叉树合成。



图4         用于16路空间合成的功率合成器性能与平面合成对比
上图展示了采用空间合成的功率合成器,16路功率器件的输出将通过该功率合成器进行一次合成,具有极高的合成效率。
空间合成的原理结构和实际外观如下图所示:

图5  空间合成原理结构
 
2.3 固态空间合成放大器技术优势
 
与行波管放大器相比,本技术方案具有如下优势:
1)极低的供电电压
空间功率合成技术使用固态管芯 (< 28VDC),而行波管的供电电压非常高 (>1kV)。这也直接导致应识科技产品的供电电路的可靠性远高于真空管,复杂性也大大降低简化。
2)启动准备时间
固态产品的启动时间几乎为零,而行波管放大器至少需几分钟。这在战时对抗时是致命的缺点。
3)可靠性
空间合成固态功率放大器产品的使用寿命达十万小时级,而行波管放大器的寿命仅数百到几千小时。
4)频率带宽
固态产品的带宽可以达到10倍频程,超过TWTA一倍。
5)软性失效
空间合成采用芯片阵列工作方式,内部有16路通道,即使有几路MMIC失效,整个模块仍然工作只是输出功率减小。行波管放大器只使用一个真空电子管,一旦失效就完全停止工作。
6)耐用性好
真空管的密封性,以及其玻璃结构都导致其极易遭受使用不当或外来环境变化而受损。应识科技产品是基于半导体芯片的技术,耐用性好。
7)AM-PM 失真
我们实际测量数据证明我们的模块在1DB压缩点附近都极少出现AM-PM失真,而行波管放大器需要从饱和功率后退16DB或更多以减低AM-PM失真至允许范围。
8)成本更低
空间合成固态功率放大器使用固态半导体管芯。固态半导体管芯可以大规模使用自动设备生产,其良率 (>90%),一致性极高。行波管仍然处于半自动生产状态,良率 (<80%),一致性更低。再加上供电电压的成本差别,以及生产调试的简化。大批量生产以后,成本可以比TWTA更低。
 
同样与传统的固态平面合成功放相比,空间合成功放有如下优势:
 
1)成本更低
相比于传统固态放大器使用的高损耗的多级二叉树合成,空间合成固态功放仅采用一次合成,效率高、损耗低,故同样的输出功率可以使用更少的功率芯片,节约了系统成本。通常空间合成放大器的成本仅为传统平面合成放大器的60%。
2)效率更高
空间功率合成技术使得整个模块的插损比传统的二叉树结构低约3dB,折合效率可以提高1倍。

  1. 体积更小,重量更轻
     
    由于空间合成功率放大器的效率高,因此需要的散热器的尺寸和重量都大大低于传统固态功率放大器,因此体积和重量都可以大大降低。
     
     
     
    下表是以6-18G 100W功率放大器为例对几种放大器进行对比:
     

 

性能TWTMini  TWT空间合成固态功放平面合成固态功放
体积中等
效率30%25%~20%~10%
供电高压270V28V28V
可靠性1000小时1000小时>10万小时>10万小时
谐波差(-4dBc)差(-4dBc)优(-10dBc)优(-10dBc)
噪声
可维护性
抗毁性中等
升级便利性非常好中等
预热时间5min5min
幅相一致性一般

 
3  基于空间合成的功率放大器和其他传统平面合成功率放大器对比
        
该6-18GHz 50W 固态功放组件是基于公司成熟的6-18G 50W宽带功率放大器产品基础上,对产品的体积重量进行优化后,针对不同功率要求,推出的两款空间合成功率放大器,输出功率分别为50W和100W。下表为选取国内外知名厂家的平面合成宽带放大器关键指标与程星的空间合成功率放大器进行对比:
 

性能国产: 平面进口:平面应识空间合成 50W应识空间合成 100W
输出功率 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

 
其中国产和进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时为避免负载出现短路开路情况损坏功放,需要增加隔离器等进行保护,会进一步降低实际有效功率。
对比应识科技采用空间合成的50W到200W放大器与其他厂家的采用平面合成的放大器:空间合成在合成损耗上比平面合成高1dB以上;整机效率上,受合成效率影响,G平面合成的效率也仅是空间合成的一半,同样输出功率等级下,平面合成成本也会贵一倍以上。另外整机功耗、尺寸上,平面合成均大于空间合成整机。
可见空间合成相比平面合成在高频段、大功率产品应用上有更大的优势。而采用空间合成的技术方案,不仅具有优秀的性能,而且具有明显的成本优势。
 
4  结论
由于空间合成技术解决了合成数量的问题,采用一次阵列合成的方法,即使合成单元的数量众多,合成效率并不受影响,更适合于将大量中小功率的芯片进行高效合成为高输出功率。该合成方法在合成单元增加的前提下,依然可以保持同样的整机效率。
而提高了功率放大器芯片的合成效率,意味着在相同输出功率时,可以使用更少的芯片,有效的解决了生产成本问题,其单位功率对应的生产成本大大优于其他生产工艺。同时,半导体芯片的生产工艺以经非常成熟,经历了大批量生产和大规模相控阵合成的应用检验,有着极高的可靠性。
因此,采用三维空间合成的设计方案是目前最为有效和成本优势最明显的选择。同时将空间合成和新一代的半导体芯片相结合的设计方案可以在不影响安装体积尺寸的情况下,进一步提高功放的输出功率等级,适用于需要更大输出功率的应用场合。
 
功放技术咨询联系方式:
张衡  13611227448
张鹏  13301038762
孙本海 13521850919

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