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微波器件的最新技术发展

上网日期: 2012年09月03日 ?? 作者: Jack Browne,Franklin Zhao ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:微波器件? 天线? 混频器? 功放?

Spatium放大器创造线性功率

合适电平的微波功率通常与真空管器件有关,比如行波管(TWT)。但借助Spatium功率合成技术,CAP Wireless公司已经实现以前只能靠真空管才能达到的放大器功率电平,通过专利性准光学功率合成技术累加了多个GaAs MMIC放大器的作用。这种技术已在许多不同的固态功放(SSPA)设计(从S频段直到毫米波频率)中表现出超过90%的功率合成效率。

Spatium技术还与氮化镓(GaN)有源器件一起实现了输出电平可与真空管放大器(TWTA)相比的固态功放(SSPA)。这种紧凑和高效的放大技术极大地吸引了美国空军以及其他军事部门的注意,因为它能以相对较轻的封装提供较高的射频/微波功率电平。与单个器件故障会导致整个放大器关闭的基于真空管技术的大功率放大器相比,Spatium放大器具有所谓的“软”故障模式:在放大器内的一个或多个固态器件发生故障的条件下,放大器仍能继续工作,只是增益和输出功率有所降低。

Spatium放大器采用准光学合成技术在自由空间中累加单个放大器(比如GaAs或GaN MMIC或分立功放)的输出,而不是通过带状线或微带线功率合成器。与相位阵列天线整合多个天线单元形成更大结构的等效波束非常相似,Spatium放大器将多个放大器的功率输出合成起来形成大得多的放大器的等效输出功率。Spatium放大器的带宽基本上仅受单个放大器的性能所限制。它的输出功率也仅受单个放大器的特性、可能的散热性能、可以在Spatium放大器结构中集成的器件数量和输出同轴连接器的击穿电压的限制。与此相反,传统无源功率合成器的高插损在增加大量放大器的输出作用时限制了它们的使用,因为高合成数量的损耗已经接近附加放大器提供的额外功率。

这种空间功率合成的想法实际上并不新颖,自从第二次世界大战之前,其基本形式在使用多个射频/微波功率管和偶极子天线时就已经成熟了。这种技术多年来得到了持续改进,Spatium放大器中的功率合成结构就是基于2004年美国空军最初授予CAP的小型企业创新研究(SBIR)基金所完成的部分工作的改进成果。这种结构使用建模和仿真技术进行了扩展分析和调整,包括Dassault Systemes SolidWorks公司的SOLIDWORKS软件和Ansoft公司的HFSS软件。

最好将Spatium放大器想象为大的同轴波导,其中放大器件呈放射状分布在同轴结构内。CAP实现同轴空间合成器结构的原因是它与其他空间合成架构相比具有诸多优势。由于同轴的TEM特性,同轴结构能使每个放大器工作在相同的电磁场,从而得到最优的线性度和效率。固有带宽能力基本不受限制,低频受限于长度,高频受限于机械容差。热量分布是一致的,因此最大限度地减少了相互加热。同轴部分是相同且可互换的。带宽和机械实现支持真正的设计复用,从而支持最新半导体器件和技术的快速实现,并在可用时迅速推向市场。

在Spatium放大器输入端,源自同轴输入连接器的中心导体被转换成更大的中心导体,然后转换成多个正好相对的鳍形天线单元(图9)。这些宽带天线单元以放射状排列在中心周围,用于收集来自输入连接器的所有射频/微波能量。这些单元再将收集到的能量转换到多条(一般是16条)微带传输线,馈给单个放大器。后者也安装在圆柱形放大器结构的中心周围,每个放大器采用无谐振的密封式陶瓷封装,并带一个合适的散热器。输入信号在各个放大器中被同时放大一定的增益。放大器输出再发射到微带线。这些微带线再耦合到正好相对的鳍形天线单元,然后回到同轴波导传输结构。由放大器输出产生的多个电磁场在这里被统一组合起来,然后回传到位于Spatium放大器输出端的同轴连接器的中心导体。

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图9:这张横截面图显示通常将16个单独的MMIC放大器的输出功率合成起来产生Spatium固态放大器的大输出功率。

当然,Spatium放大器的高合成效率的前提是各个放大器具有统一的幅度和相位响应,以及到放大器的馈线和用于合成最终输出信号的放大器的输出线具有严格受控的幅度和相位平衡。Spatium放大器的功率合成结构可以累加16个MMIC放大器的输出并且在超过10倍的带宽上实现不到0.5dB的总体合成与插入损耗,从而在整个毫米波频率范围内实现高于90%的典型合成效率。Spatium放大器中的功率合成损耗不会像在传统的微带线或带状线功率合成器中那样随着单元数量的增加而增加,也没有单元数量成对的要求。因此,即使是多达18个或23个放大器组合起来实现最终输出功率,Spautium放大器也有望实现低合成插损和高效率。

Spatium放大器输入端的转换采用16向功率分配器的形式;输出端的转换采用16向功率合成器的形式。两种转换的长度增加与最低工作频率成反比。第一代Spatium功放设计用于从2GHz至20GHz的频率范围,尺寸为2.81×3.00×9.90英寸(图10)。通过将低频截止点提升至4.5GHz,第二代设计可覆盖4.5GHz至20GHz的范围,尺寸为2.40×2.40×5.00英寸。为Ka频段应用设计的第三代Spatium放大器的长度进一步地缩短。放大器的直径很大程度上取决于MMIC放大器、它们的相关偏置和封装要求以及散热因素。这些Spatium构件放大器随后被用于在带控制电路的更大设计中组成先进的单元,比如该公司的仪表放大器产品线(图11)。

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图10:这三种Spatium封装配置分别是早期的2GHz至20GHz设计(左)、尺寸缩小了的4.5GHz至20GHz设计(中)和Ka频段设计(右)。

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图11:构件式宽带Spatium放大器与额外的电源和控制电路一起使用,可形成适合仪器和电子战应用的更大模块化和机架安装式放大器。

RM022020是这些基于Spatium技术的仪表放大器的一个例子,它可在2GHz至20GHz范围内提供20W的典型饱和输出功率。这款放大器一般可提供40dB增益和10dB增益调整范围。RM022020尺寸为17.0×17.1×5.25英寸,重量为35.3磅,它可将杂散电平抑制到典型的-85dBc。这款宽带放大器非常稳定,也非常适合电子战(EW)和电子对抗(ECM)应用(图12)。

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图12:RM022020是Spatium仪表放大器的一个例子,在2GHz至20GHz范围内可提供20W的饱和输出功率。

Spatium技术还被用于CAP Wireless的各种较窄带标准放大器,包括型号为KS2699-OEM的放大器。这款放大器在14GHz至17GHz范围内的最小输出功率为40W,典型饱和输出功率为55W,1dB压缩点的典型输出功率为50W(图13)。KS2699-OEM在其带宽内可提供20dB的最小增益和23dB的典型增益,在整个频率范围和-40℃至+70℃的温度范围内的增益平坦度为1dB典型值。功率附加效率(PAE)的典型值是20%,典型的噪声系数是10dB,杂散电平控制在-60dBc。KS2699-OEM在+7VDC电源下消耗的电流为35A。其外形尺寸为5.7×2.4×2.4英寸,提供SMA输入和输出母头连接器。

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图13:这张图显示KS2699-OEM Spatium放大器在14GHz至17GHz范围内的饱和输出功率。

KK0198-OEM可在29.5GHz至31.0GHz范围内提供40W的典型饱和输出功率,在1dB压缩点的典型输出功率为30W。该器件据称可提供15dB的最小增益和18dB的典型增益,在整个频率范围和温度范围(-40℃至+85℃)的典型增益平坦度是1dB。在多个GaaS MMIC的组合输出基础上,KK0198-OEM可达到20%的功率附加效率,在+5.5VDC电源下消耗电流为32A。KK0198-OEM提供2.92mm输入和输出母头连接器。

除了许多基于GaAs的设计外,CAP Wireless公司还将Spatium功率合成技术应用于氮化镓(GaN)有源器件,在6GHz时可实现高达300W的饱和输出功率电平。例如CN5199-OEM这款固态Spatium功放,在2GHz至6GHz范围内可提供300W的典型饱和输出功率,在该4GHz带宽内的1dB压缩点可提供150W输出功率。CN5199-OEM具有16dB的最小增益和19dB的典型增益,在2GHz至6GHz范围内具有2dB的典型增益平坦度。这款GaN放大器可取得38%的典型功率附加效率。就像其他Spatium功放一样,它会消耗低压电源较大电流(因为有多个内部固态放大器),在+28VDC电源下的典型消耗电流是28A。这款2GHz至6GHz放大器采用传导散热方式,尺寸为9.0×2.4×2.4英寸,提供N型母头连接器。该放大器的工作温度范围为-40℃至+85℃。

虽然Spatium功率合成技术在整合各高频GaAs和GaN MMIC放大器的作用时非常高效,但高功率密度的Spatium放大器(特别是16个或16个以上的MMIC级)将面临热设计挑战。大多数Spatium放大器设计使用传导散热。为了确保各MMIC级电路的长期可靠性,Spatium放大器的16个部分或部件中的每一个都必须保持在+85℃以下,以避免过热。

CAP Wireless公司一直在与Quantum Focus Instruments等外部公司合作开展原型放大器部件的热红外(IR)扫描。原型部件采用安装在不同散热材料上的封装好的MMIC制造,执行热红外扫描则可更好地理解每个部件安装在最终Spatium放大器设计中时的热负载。这些测量还能展示热材料供应商提供的热仿真精度。

测试夹具的开发投入了大量精力,这种夹具需要精确地描述每个放大器部件在完整的Spatium放大器中见到的热条件。例如在完整的放大器中,热量只能从与热夹具接触的部件的一侧散发出去,因此测试夹具也必须考虑这类热量流动。

为了推动Spatium放大器技术实现更高的功率电平,使它成为电子战、商业卫星通信(SATCOM)系统和军事航空数据链路等应用中的真空管放大器的实用替代品,CAP Wirelss公司研究了增强型散热系统的使用。这些系统包括液体冷却以及专有的复合型热管理材料。目前来说,这些标准的仪表和器件放大器是这种创新放大器技术具有美好前景的很好例子。


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