毫米波300 W固態(tài)功率合成放大器的設(shè)計(jì)

王 斌，王 義

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

Ka頻段衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢(shì)就是終端設(shè)備的小型化，因此設(shè)備中的功率放大器一般采用固態(tài)器件，當(dāng)前商用器件的最大輸出功率為7 W，為實(shí)現(xiàn)更高功率輸出采用功率合成技術(shù)已成為一種必然選擇。該技術(shù)可通過組合若干個(gè)相干工作單元來獲取更大的輸出功率，實(shí)現(xiàn)途徑主要有芯片功率合成、電路功率合成和空間功率合成。

在毫米波頻段，功率器件的自身功耗較大，所以功率合成就帶來了一個(gè)散熱問題。為了適合現(xiàn)有功率單片的應(yīng)用，由波導(dǎo)功率分配/合成器實(shí)現(xiàn)的波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成使功率單片不必局限于波導(dǎo)空間內(nèi)，功率單片可通過與波導(dǎo)連接的微帶線接地基板散熱。波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成技術(shù)在封閉空間內(nèi)對(duì)各個(gè)輻射的電磁能量進(jìn)行合成，其特點(diǎn)是能量泄露小、抗干擾能力強(qiáng)、散熱比較方便、并且能夠容易地應(yīng)用于毫米波功率放大器的研制中，所以這種空間功率合成技術(shù)正被廣泛地研究和應(yīng)用。

1 波導(dǎo)—微帶過渡

波導(dǎo)的傳輸損耗較低，微帶線方便模塊小型化設(shè)計(jì)，所以毫米波系統(tǒng)中為了兼顧兩者的優(yōu)點(diǎn)多用到波導(dǎo)－微帶過渡［1］。這些過渡結(jié)構(gòu)一般具有傳輸損耗小、回波損耗高并且有足夠的頻帶寬度;易于加工、便于工程實(shí)現(xiàn)、裝備容易且一致性好等特點(diǎn)。

微帶探針型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是從同軸探針發(fā)展而來，通過一段耦合微帶探針把波導(dǎo)中的電場耦合到微帶中，然后用一段高感抗線抵消其電容效應(yīng)實(shí)現(xiàn)探針與微帶線阻抗匹配。矩形波導(dǎo)中距轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)λ/4的短路活塞保證探針在波導(dǎo)中處于電場最強(qiáng)的位置，介質(zhì)基片穿過矩形波導(dǎo)安裝來提供一個(gè)波導(dǎo)窗并保證基片定位，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微帶探針型波導(dǎo)微帶過渡結(jié)構(gòu)

探針的輸入阻抗是探針寬度、長度、過渡結(jié)構(gòu)距終端短路面距離以及頻率的函數(shù)。選擇這些合適的參量便可保證這種結(jié)構(gòu)將在較寬的頻率范圍內(nèi)有較小的插入損耗。為使微帶探針激勵(lì)起的波導(dǎo)模與矩形波導(dǎo)中主模TE10模耦合最緊，探針應(yīng)從波導(dǎo)寬邊中心插入，置于TE10模電場最大位置。探針附近被激勵(lì)起的高次模使接頭具有電抗性質(zhì)。短路活塞提供一個(gè)可調(diào)電抗用于抵消探針電抗。確定微帶探針?biāo)?lì)起高次模的幅度和算出儲(chǔ)藏在這些非傳播模的純電抗分量，就可以計(jì)算出探針的電抗。由于探針末端的電流必須為零，故對(duì)于探針來說，假設(shè)其電流按正弦駐波分布且假定探針電流為無限細(xì)線電流:

式中，d為探針插入的深度。微帶的輸入阻抗:

式中，P為輻射到波導(dǎo)中的功率;Wm－We是由高次模激勵(lì)并存儲(chǔ)在探針附近的無功功率。探針的輻射電阻是:

在毫米波頻段為了減小傳輸損耗和降低高頻效應(yīng)，微帶線介質(zhì)多采用Rogers RT/duroid 5880來制作，其介電常數(shù)約為2.2。但是這種材質(zhì)的微帶線均是采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)加工成的，這種加工技術(shù)加工出的微帶線的精度有限，并且Rogers RT/duroid 5880為軟基板，易變性。這種微帶探針應(yīng)用于毫米波頻段，其可靠性不夠高。為了進(jìn)一步提高微帶線的加工精度和工作的可靠性，同時(shí)兼顧其傳輸損耗較小的特點(diǎn)，又研制了以石英為介質(zhì)基板、濺射成形工藝制作的微帶探針，其介電常數(shù)約為3.8。

2 波導(dǎo)功率分配/合成器

分支線波導(dǎo)定向耦合器［2］如圖2所示，其2個(gè)輸出端口的相位差90°耦合結(jié)構(gòu)是2個(gè)波導(dǎo)公共寬邊上的開孔，可以工作于矩形波導(dǎo)的傳輸主模。2個(gè)公共波導(dǎo)寬邊上的開孔數(shù)目可以是單孔、雙孔和多孔等，一般而言開孔的數(shù)目不同可以獲得不同的耦合度。該結(jié)構(gòu)具有互易，對(duì)稱的特點(diǎn)，且2個(gè)輸出端口有較高的隔離度。3 dB分—支波導(dǎo)定向耦合器多采用開孔數(shù)為5的耦合方式，其仿真結(jié)果在波導(dǎo)全帶寬內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)回波損耗小于－15 dB，并且該結(jié)構(gòu)2個(gè)輸出端口間有15 dB左右的隔離度，這一點(diǎn)要優(yōu)于普通的3端口無耗網(wǎng)絡(luò)。因此，3 dB分支波導(dǎo)定向耦合器作為功率合成器進(jìn)行功率合成的時(shí)候在可靠性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖2 分支波導(dǎo)定向耦合器

波導(dǎo)分支線形式的波導(dǎo)功率分配/合成器的帶寬受枝節(jié)數(shù)目影響，為了進(jìn)一步拓展帶寬，就得采用更多的枝節(jié)。隨著枝節(jié)數(shù)的增多，E面波導(dǎo)分支耦合器的某些枝節(jié)縫隙會(huì)很窄，以至無法加工。波導(dǎo)H面定向耦合器在波導(dǎo)窄邊上開孔，由于孔的高度最高也只能達(dá)到波導(dǎo)窄邊的尺寸，且孔間距受到λ/4波長的限制，難以做得很大，故無法耦合波導(dǎo)主模，要實(shí)現(xiàn)3 dB耦合需要將耦合窗厚度，即2個(gè)波導(dǎo)之間的壁厚取得很小，這也是機(jī)加工無法實(shí)現(xiàn)的。因而一些采用高次模單孔耦合的結(jié)構(gòu)在波導(dǎo)H面3 dB定向耦合器［3，4］中得到了廣泛使用。這種結(jié)構(gòu)采用了高次模式耦合，為了和標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)中傳輸?shù)闹髂Ｆヅ?，用H面膜片改變波導(dǎo)耦合窗的寬邊尺寸，即改變高次模阻抗，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。這種結(jié)構(gòu)簡單、工作帶寬較寬、耦合窗尺寸也不大，非常適合工程應(yīng)用。

3 功率合成網(wǎng)絡(luò)與放大器

H面縫隙耦合功率分配/合成器、波導(dǎo)T型分支［5］和石英介質(zhì)微帶—波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)三者聯(lián)合應(yīng)用可以得到一個(gè)4路功率合成網(wǎng)絡(luò)。波導(dǎo)分支線3 dB耦合器和波導(dǎo)H面縫隙耦合功率分配/合成器兩者級(jí)聯(lián)就構(gòu)成了一分四的功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，該結(jié)構(gòu)的模型如圖3所示。

該4路功率合成網(wǎng)絡(luò)尚不能直接應(yīng)用于功率合成放大器，該4路功率合成網(wǎng)絡(luò)、波導(dǎo)T型分支和石英基板的微帶—波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)三者一起就能構(gòu)成一個(gè)可以直接應(yīng)用于功率合成放大器的8路功率合成網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖3 功率分配/合成器

圖4 8路功率合成網(wǎng)絡(luò)的三維結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果

電磁場通過十字交叉的4個(gè)波導(dǎo)端口輸出，根據(jù)對(duì)稱性，4個(gè)端口輸出的幅度一致。由于波導(dǎo)寬邊的不連續(xù)性要引入一個(gè)串聯(lián)的電抗，通常的匹配方法需要加入一個(gè)相反的電抗元件抵消這個(gè)波導(dǎo)不連續(xù)帶來的電抗。常見的方式有端口階梯變換和電容膜片等。但當(dāng)工作帶寬較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)本身的串聯(lián)電抗與加入的匹配元件會(huì)發(fā)生失配，不再在輸入端口呈現(xiàn)出匹配狀態(tài)。另外由于階梯變換等本來就給加工帶來了復(fù)雜性，因此，采用一個(gè)圓臺(tái)做寬帶匹配，這種匹配加工方便，匹配帶寬較寬。由于這種漸變結(jié)構(gòu)具有比較復(fù)雜的邊界條件，因而很難得到設(shè)計(jì)該匹配結(jié)構(gòu)的解析公式，通過電磁場仿真軟件HFSS的仿真設(shè)計(jì)可以較容易的實(shí)現(xiàn)。波導(dǎo)一分四的功率分配/合成器如圖5所示。

該4路功率分配/合成器結(jié)合設(shè)計(jì)的8路功率合成放大器可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)32路功率合成輸出，該32路功率合成放大器的結(jié)構(gòu)圖形如圖6所示。

圖5 一分四合成器

圖6 合成放大器

Ka頻段最大輸出功率的固態(tài)單片可以輸出7 W(38.5 dBm)，32路功率合成器的插損仿真值為0.4 dB，因?yàn)閷?shí)際機(jī)加工的精度問題和裝配誤差，該32路功率合成器的損耗約為1 dB，因此經(jīng)過32路7 W功率單片的功率合成最終獲得輸出功率為177.8 W(52.5 dBm)。該32路功率合成放大器的尺寸為356 mm×356 mm×285 mm。

同樣的結(jié)構(gòu)，用16路功率合成放大器替換上面的8路功率合成放大器便可得到64路的功率合成放大器。該放大器的輸出功率約為355 W(55.5 dBm)，該 64路功率合成放大器的尺寸為424 mm×424 mm×376 mm。

4 結(jié)束語

衛(wèi)星通信固定站對(duì)固態(tài)功放輸出功率的要求越來越高，研制的300 W毫米波固態(tài)功率放大器已經(jīng)足夠滿足多數(shù)情況下的應(yīng)用。隨著輸出功率的增大，功率放大器整機(jī)的功耗也越來越大，散熱問題逐漸成為一個(gè)不可逾越的屏障。該結(jié)構(gòu)的固態(tài)功率放大器存在一個(gè)缺點(diǎn)就是不能直接應(yīng)用于室外環(huán)境，在整機(jī)尺寸較小的情況，為了能夠研制出滿足室外環(huán)境應(yīng)用的輸出功率更大的固態(tài)功率放大器就必須采用諸如液冷［6］等其他更先進(jìn)的散熱方式。

［1］王婧倩，孫厚軍.Ka波段微帶探針型波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)［C］.北京:海峽兩岸三地?zé)o線科技學(xué)術(shù)會(huì)論文集，2005:18－25.

［2］柳維君.微波技術(shù)基礎(chǔ)［M］.成都:電子科技大學(xué)出版社，1989:306－313.

［3］OHTA I，HINO A，KAWAI T.Broad-Band Simple H-Plane Directional Couplers［J］.Proceedings of APMC2001，2001(1):115－118.

［4］TANAKA T.Ridge-shaped Narrow WallDirectional Coupler Using TEl0，TE20，and TE30 modes［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1980，28(3):239－245.

［5］江肖力，王 斌.Ka頻段T型波導(dǎo)功率合成器的改進(jìn)［J］.無線電工程，2009，39(3):41 －43.

［6］由金光，姚武生.S波段液冷固態(tài)功放組件的設(shè)計(jì)［J］.電子信息對(duì)抗技術(shù)，2011，26(3):79－82.