毫米波超寬帶合成器的研究

潘海波，張　麗，吳小帥

(中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051)

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毫米波超寬帶合成器的研究

潘海波，張麗，吳小帥

(中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051)

摘要：首先介紹了功率合成技術(shù)，指出合成效率是衡量合成效果的關(guān)鍵指標；其次，對影響合成效率的主要因素如電路插入損耗、幅度差和相位差進行了分析；最后，提出了一種工作在26.5～40 GHz頻率范圍內(nèi)，帶寬為13.5 GHz的超寬帶八路功率合成器，然后利用CST軟件對該合成結(jié)構(gòu)進行仿真，仿真結(jié)果達到預(yù)期效果，具有很好的使用價值。

關(guān)鍵詞：毫米波;超寬帶；合成效率；空間合成

0引言

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)不斷的發(fā)展以及市場需求的快速擴大，在通信中，對超寬帶、大功率功放的需求與日俱增。因為毫米波發(fā)射機輸出功率增大意味著具有更大的作用半徑、更好的通信質(zhì)量、更強的抗干擾能力[1]。盡管現(xiàn)有微波單片的輸出功率已經(jīng)提高很多，但還是很難僅依靠一個單片獲得期望的輸出功率，因此只能采用功率合成技術(shù)來獲得期望的功率輸出。

1功率合成技術(shù)

功率輸入信號經(jīng)過功率分配網(wǎng)絡(luò)，被功率分配器分為幅度一致的N路信號，然后每路信號分別經(jīng)過放大單元進行放大，最后將放大的各路信號輸入到功率合成網(wǎng)絡(luò)[2]。一般每路信號經(jīng)過功分/合成網(wǎng)絡(luò)后的總相位變化是一致的，再進行矢量合成疊加和放大，最后由放大器輸出端口輸出。功率放大器的輸出功率定義為[3]：

(1)

式中:η為合成效率;N為合成路數(shù);PMMIC為每路功率單片的輸出功率，其原理框圖如圖1所示。

由公式(1)可以得出合成效率公式:

圖1　功率合成器原理框圖

(2)

式中：Pout為功率合成器輸出功率；Pall為功率放大單元輸出功率總和。

功率合成效率是衡量一個功率合成網(wǎng)絡(luò)好壞的重要指標之一，功率合成效率的大小直接關(guān)系著功率合成網(wǎng)絡(luò)的性能好壞。

2合成效率影響因素

功率合成器的合成效率受到三方面的影響:電路插入損耗、各端口輸出功率幅差和相位差[4]。

2.1電路插入損耗的影響

電路插入損耗主要包括整體電路的傳輸損耗和反射損耗。電路自身的傳輸路徑損耗、電路與芯片之間的連接損耗是這些產(chǎn)生損耗的主要原因。在研究中可以發(fā)現(xiàn)，合成效率與單極電路損耗呈指數(shù)關(guān)系，隨著單級電路損耗的增大，合成效率反而下降。其次，合成效率也受到合成級數(shù)的影響，合成效率同樣隨著合成級數(shù)的增加而下降[5]。由上可知，設(shè)計合成器時不僅要要降低單級的電路損耗,同時也要減少合成級數(shù)，從而提高其合成效率。圖2表示了單級電路損耗和合成級數(shù)對合成效率的影響，圖中縱軸η為合成效率，橫軸為單級電路的電路損耗，N為合成路數(shù)。

圖2　單級電路損耗和合成級數(shù)對合成效率的影響

2.2幅度差和相位差的影響

現(xiàn)以二合一功率合成器為例，針對幅度差和相位差對合成效率造成的影響進行分析。假設(shè)進入合成器的2路信號功率分別為p1和p2，對應(yīng)相位分別為φ1和φ2，輸出功率p定義為:

(3)

當φ1=φ2，p1≠p2時，公式(3)可化簡為:

(4)

將式(4)代入式(2)中，得到合成效率為:

(5)

將2路信號的幅度差定義為：

(6)

由圖3可知，在2路信號的相位一致的條件下，如果Δp小于1 dB時，對合成效率理論值大于99.5%，造成的影響就可以忽略；如果Δp不超過3 dB時，合成效率大于97%[5]。

圖3　幅度差對合成效率的影響

當φ1≠φ2，p1=p2時，公式(3)可化簡為:

(7)

同樣可以得到合成效率為：

(8)

由圖4可知，合成效率隨著相位差的增大快速下降，相對于幅度差而言，相位差對合成效率的影響更為顯著。

圖4　相位差對合成功率的影響

在設(shè)計功率合成器時發(fā)現(xiàn)，功率分配器和功率合成器的結(jié)構(gòu)具有一致性，除注意電路損耗、幅度和相位的一致性外，還應(yīng)注意以下幾個方面：

(1) 為避免在大功率合成中毀壞器件，功率合成器應(yīng)具有恰當?shù)墓β嗜萘?，來滿足系統(tǒng)要求。

(2) 為避免各支路信號之間相互干擾，各放大支路間需具備很好的隔離度，排除當其中某支路惡化后，其他支路受其影響的現(xiàn)象發(fā)生，來保證系統(tǒng)的可靠性。

(3) 降低合成器各端口的駐波比，減少端口的功率反射。

(4) 合成器應(yīng)具有較好的散熱性，避免溫度太高影響功率的輸出或者損壞芯片。

3八路合成

本為提出了一種工作在26.5～40 GHz頻率范圍內(nèi)、帶寬為13.5 GHz的超寬帶8路合成器，其結(jié)構(gòu)見圖5，利用CST軟件對該合成器進行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5　八路合成器

圖6　CST軟件仿真結(jié)果

在26.5～40 GHz頻率范圍內(nèi)，參數(shù)S11小于-20 dB，8個支路的輸出功率基本相同，約為-9 dBm。在中心頻點33.25 GHz，駐波比S11為-26 dB，8路輸出功率最大相差0.2 dBm。因為該合成結(jié)構(gòu)采用波導(dǎo)內(nèi)的空間合成，結(jié)構(gòu)上的插入損耗很小，可以忽略計算得出合成效率約為96.7%，而且結(jié)果簡單，所以該合成器具有很好的實用價值。

4結(jié)束語

本文介紹了影響功率合成器的主要因素，并依據(jù)這些影響因素設(shè)計了毫米波段超寬帶8路合成器。該合成器的仿真結(jié)果達到了預(yù)期的效果，具有實用價值。后期的研究將在實現(xiàn)低駐波比、提高合成效率和增大帶寬方面進行更加深入的研究。

參考文獻

[1]甘體國.毫米波工程[M].成都：電子科技大學(xué)出版社,2006.

[2]吳禮群,蔡昱,成海峰,等.Ku波段600W固態(tài)合成功放設(shè)計[J].電子與封裝,2011,11(4):24-27.

[3]鄒梅穎.毫米波功率合成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計[D].成都：電子科技大學(xué),2012.

[4]王先鋒.60 GHz毫米波功率合成技術(shù)的研究[D].杭州:浙江大學(xué)，2012.

[5]DELISIO M P,YORK R A.Quasi-optical and spatial power combining[J].IEEE Transactions on Microwave Theory Technology,2002,50(3):929-936.

Research into Millimeter-wave Ultra-wideband Synthesizer

PAN Hai-bo,ZHANG Li,WU Xiao-shuai

(The 13th Electronic Research Institute,CETC,Shijiazhuang 050051,China)

Abstract:This paper firstly introduces the technology of power synthesis,and illuminates the key index of synthesis effect is synthetic efficiency;secondly analyzes several factors affecting the synthetic efficiency such as circuit insertion loss，amplitude difference and phase difference;finally puts forward a 8-port power synthesizer which works in frequency 26.5～40 GHz and the bandwidth is 13.5 GHz,then uses CST software to simulate the synthetic structure.The simulation result achieves the desired effect,and the synthesizer has good usage value.

Key words:millimeter-wave;ultra-wideband;synthetic efficiency;space synthesis

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.020

中圖分類號：TN73

文獻標識碼：B

文章編號：CN32-1413(2016)01-0092-03

收稿日期:2015-12-23