一種Ka波段寬帶功率合成放大器的設(shè)計(jì)

楊 強(qiáng)，吳沛濤

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊050051)

0 引言

隨著微波工程技術(shù)的發(fā)展，毫米波已成為軍事電子技術(shù)發(fā)展的主要頻段，廣泛應(yīng)用于精確制導(dǎo)、雷達(dá)、電子對(duì)抗和測(cè)量測(cè)試等領(lǐng)域［1］。

在諸如毫米波電子對(duì)抗等系統(tǒng)中，滿足一定輸出能力的毫米波功率發(fā)射機(jī)的工作帶寬要求越寬越好。功率放大器作為毫米波發(fā)射機(jī)的重要部件之一，隨著半導(dǎo)體及單片集成電路技術(shù)的發(fā)展，固態(tài)化的應(yīng)用需求日益強(qiáng)烈。較之傳統(tǒng)的電真空器件，半導(dǎo)體固態(tài)器件在體積重量、成本與可靠性以及工作帶寬等方面有著顯著的優(yōu)越性。然而隨著工作頻率的上升，特別是在毫米波頻段，固態(tài)有源器件輸出功率相應(yīng)降低，進(jìn)而制約了毫米波系統(tǒng)的發(fā)展，因此寬帶高效率的功率合成器的設(shè)計(jì)成為毫米波發(fā)射系統(tǒng)的重要研究課題［2］。

空間合成技術(shù)是目前毫米波功率合成方式的研究熱點(diǎn)，常見(jiàn)的合成方式有以下3種:準(zhǔn)光及自由空間合成方式［3］、波導(dǎo)及過(guò)模波導(dǎo)內(nèi)空間合成方式［4］、基于波導(dǎo)功分單元或行波式結(jié)構(gòu)的探針陣列合成方式［5］。其中基于波導(dǎo)內(nèi)的空間合成技術(shù)在合成效率、相對(duì)帶寬以及實(shí)現(xiàn)便易性等方面具有較好的特性，受到了廣泛關(guān)注［6，7］。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 波導(dǎo)基合成器的工作原理及特性分析

波導(dǎo)內(nèi)空間合成的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理可理解為:針對(duì)待實(shí)現(xiàn)分配/合成功能的準(zhǔn)平面單元電路，根據(jù)波導(dǎo)TE模與平面微帶準(zhǔn)TEM模的相關(guān)模式過(guò)渡原理，對(duì)波導(dǎo)進(jìn)行物理結(jié)構(gòu)上的具體分層處理。常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)形式是將波導(dǎo)沿寬邊剖分成相同高度的托盤單元，托盤單元組合形成等效傳輸波導(dǎo)，而托盤表面則作為準(zhǔn)平面的微波放大以及功率分配/合成電路的承載體。由于準(zhǔn)平面電路多采用微帶電路形式，因此這種波導(dǎo)內(nèi)空間合成器可以理解成一種波導(dǎo)—漸變線—微帶的多路等分過(guò)渡結(jié)構(gòu)。

在矩形波導(dǎo)物理尺寸以及散熱特性允許的條件內(nèi)，通過(guò)擴(kuò)展托盤的數(shù)目，波導(dǎo)內(nèi)空間合成方式具有良好的功率拓展能力。仿真和試驗(yàn)均表明，采用這種合成方式，合成單元電路的增加對(duì)合成效率的影響幾乎可以忽略不計(jì)。由于合成系統(tǒng)中的各個(gè)托盤為相對(duì)獨(dú)立的工作單元，并行工作從而保證在部分單元失效的情況下仍具有良好的系統(tǒng)工作能力。此外，基于槽線和鰭線的設(shè)計(jì)理論表明［8］，這種功率合成結(jié)構(gòu)具有潛在的良好寬帶工作性能，直接引用準(zhǔn)平面微波電路作為過(guò)渡與合成結(jié)構(gòu)的做法，將使半導(dǎo)體有源器件獲得良好的接口方式，從而有利于有源器件性能在現(xiàn)階段工藝水平下得到最好的發(fā)揮。

圖1 波導(dǎo)內(nèi)功率空間合成基本結(jié)構(gòu)形式

然而，由于槽線和鰭線及其變形電路形式的結(jié)構(gòu)特殊性，相關(guān)工程計(jì)算量與優(yōu)化設(shè)計(jì)工作十分繁瑣，為精確驗(yàn)證并獲得較為理想的電路形式與具體結(jié)構(gòu)，即便采用高性能的微波三維電磁場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)軟件，往往仍需要較長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期。此外，為保證預(yù)期的設(shè)計(jì)性能，層分波導(dǎo)和準(zhǔn)平面電路的具體實(shí)現(xiàn)也對(duì)現(xiàn)階段的加工精度和工藝水平提出了很大的挑戰(zhàn)。

1.2 新型波導(dǎo)基合成器的原理、特性及建模

基于波導(dǎo)—鰭線—微帶等分過(guò)渡原理的空間合成結(jié)構(gòu)關(guān)鍵在于寬帶內(nèi)低損耗對(duì)極鰭線結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。1980年A.Beyer和I.Wolff首先提出了單面鰭線與矩形波導(dǎo)之間漸變段的分析方法［9］，為減少分析鰭線波阻抗的分別變化所需的數(shù)值優(yōu)化，即如何將該阻抗分布轉(zhuǎn)換為鰭線的縫隙寬度，A.M.K.Saad和K.Schunemann進(jìn)而研究并提出了一種新的分析方法［10，11］，即將圖2所示的非均勻鰭線劃分為一系列漸變長(zhǎng)度的均勻段，進(jìn)而在給定過(guò)渡段長(zhǎng)度后，選取不同縫隙寬度的輪廓函數(shù)，從而計(jì)算并實(shí)現(xiàn)鰭線結(jié)構(gòu)的輪廓優(yōu)化。這種分析方法不僅適用于單面和雙面鰭線，也適應(yīng)于對(duì)極鰭線［12］。

圖2 均勻鰭線與非均勻鰭線結(jié)構(gòu)

采用微波三維仿真軟件分別建立并分析均勻與非均勻?qū)O鰭線與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換模型，并對(duì)比分析不難發(fā)現(xiàn)，2種結(jié)構(gòu)均可以實(shí)現(xiàn)Ka頻段全帶寬內(nèi)的良好過(guò)渡，傳輸特性幾乎沒(méi)有區(qū)別。但是，非均勻鰭線不僅建模方便，離散化的模型結(jié)構(gòu)也使得仿真運(yùn)算速度大幅提高。

為實(shí)現(xiàn)全頻段內(nèi)的良好過(guò)渡，數(shù)值分析與軟件仿真表明:均勻?qū)O鰭線的漸變長(zhǎng)度最優(yōu)值應(yīng)在15 mm左右，而相對(duì)均勻?qū)O鰭線，非均勻?qū)O鰭線的漸變部分通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)其長(zhǎng)度可縮短近一半，僅為8 mm左右。從工程應(yīng)用角度看，過(guò)渡段長(zhǎng)度將直接使得非均勻?qū)O鰭線制備的合成器及功率放大器外形尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于均勻?qū)O鰭線的形式。此外，對(duì)極鰭線電路在毫米波頻段電路的物理實(shí)現(xiàn)通常采用復(fù)合介質(zhì)電路板制備，多次制版試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)還證明，均勻形式的對(duì)極鰭線對(duì)加工要求遠(yuǎn)高于非均勻?qū)O鰭線形式，因而非均勻?qū)O鰭線形式電路的工程實(shí)用性更高。

以非均勻?qū)O鰭線作為基本結(jié)構(gòu)，建模并進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)得到了一種4路的功分—合成結(jié)構(gòu)，仿真模型如圖3所示，通過(guò)4次階梯化離散變化段，在Ka全帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了良好的等分過(guò)渡效果。

圖3 采用非均勻?qū)O鰭線構(gòu)建的4路合成結(jié)構(gòu)

2 無(wú)源合成結(jié)構(gòu)性能測(cè)試和分析

基于仿真得到的合成器模型，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于階梯變化形式的對(duì)極鰭線合成器，采用Roggers公司介電常數(shù)為2.2的RT5880型復(fù)合介質(zhì)制作微波電路基板，裝載于鋁合金材質(zhì)波導(dǎo)腔內(nèi)。采用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，用雙端口校準(zhǔn)方式校準(zhǔn)儀器，再通過(guò)連接波導(dǎo)—同軸轉(zhuǎn)接器，采取直通校準(zhǔn)的方式校除去測(cè)試轉(zhuǎn)接器的插入損耗后進(jìn)行S參數(shù)測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果表明該合成結(jié)構(gòu)在26～40 GHz頻率范圍內(nèi)背對(duì)背插入損耗值小于0.8 dB，端口回波損耗低于-15 dB，如圖4所示。

值得指出的是，合成器設(shè)計(jì)對(duì)電路結(jié)構(gòu)以及具體的工藝加工和裝配實(shí)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行了充分的考慮，保證了良好的容差范圍，具有較高的可操作和重復(fù)性。

圖4 4路合成器背對(duì)背性能測(cè)試曲線

3 功率合成放大器性能測(cè)試和分析

在驗(yàn)證了階梯變化形式的對(duì)極鰭線合成器性能的基礎(chǔ)上，采用成熟的微波薄膜混合集成電路工藝，將4片功率放大器芯片裝載于合成器內(nèi)，設(shè)計(jì)并加工實(shí)現(xiàn)了一種工作于Ka全頻段的功率合成模塊。

模塊內(nèi)部集成有加電/去電時(shí)序保護(hù)電路;濾波、穩(wěn)壓和分壓等電源處理電路，外部供電僅需提供+5 V和-5 V，使用方便。

合成功率放大器的實(shí)物外觀如圖5所示，輸入輸出接口均為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ320法蘭，4路合成功率放大器的總體積僅為32 mm×30 mm×24 mm。

圖5 功率合成放大器實(shí)物外觀

對(duì)合成功率放大器進(jìn)行性能測(cè)試。采用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)合成功率放大器進(jìn)行S參數(shù)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明:在26～40 GHz帶寬范圍內(nèi)，功率放大器的線性增益為22±2.25 dB，具有良好的寬帶增益平臺(tái)特性;采用Agilent N1911A功率計(jì)對(duì)合成功率放大器的功率輸出能力進(jìn)行測(cè)試，功率放大器在26～40 GHz帶寬范圍內(nèi)線性1 dB壓縮點(diǎn)輸出能力P-1≥29 dBm，飽和功率輸出能力Psat≥30 dBm，合成效率超過(guò)85%，顯示出理想的寬帶功率合成效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

在分析了波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選取階梯變化形式的對(duì)極鰭線進(jìn)行合成器設(shè)計(jì)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了一種能夠工作于Ka全頻段的4路合成器;借助合成器寬帶、低損耗和較好的系統(tǒng)匹配特性等優(yōu)點(diǎn)，采用成熟的微波混合集成電路工藝制作了一種新穎的Ka全頻段功率放大器。

考慮到該功率放大器體積小、帶寬寬和工藝重復(fù)實(shí)現(xiàn)性較好等優(yōu)點(diǎn)，若以此作為功率模塊單元，并結(jié)合其結(jié)構(gòu)與微波性能上的具體特點(diǎn)做進(jìn)一步相應(yīng)的腔體功率合成電路設(shè)計(jì)，將有望開(kāi)發(fā)出具有更高功率輸出能力和寬帶工作性能的毫米波高功率發(fā)射機(jī)，從而推動(dòng)毫米波系統(tǒng)性能和工程化的不斷提升。

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