一種Ka頻段功率合成放大器的設(shè)計

王 斌，汪春霆

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種Ka頻段功率合成放大器的設(shè)計

王 斌，汪春霆

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

為了滿足系統(tǒng)對發(fā)射機(jī)小型化的需求，設(shè)計了一種Ka頻段功率合成放大器，采用波導(dǎo)空間功率合成結(jié)合電路功率合成的方式，有效地提高了功率合成放大器的功率密度。吸收傳統(tǒng)威爾金森電橋的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計了一種低損耗毫米波微帶集成3 dB電橋，其成本低，加工容易，在26～32 GHz插入損耗小于0.3 dB。提出了一種新型的魔T功率合成結(jié)構(gòu)，既保持了較好的3 dB功率分配又提高了兩輸出支路的隔離度。以此2種3 dB電橋?yàn)榛A(chǔ)的Ka頻段功率合成網(wǎng)絡(luò)，可提高功率合成放大器工作的穩(wěn)定性。

毫米波；功率合成；微帶集成3 dB電橋；魔T

0 引言

隨著波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)[1]的發(fā)展，在Ka頻段往往會陷入僅采用波導(dǎo)空間功率合成方式的誤區(qū)。薄膜電路工藝技術(shù)的進(jìn)步使得低損耗Ka頻段微帶形式的功率合成器成為可能。在Ka頻段采用波導(dǎo)空間功率合成結(jié)合電路功率合成的方式可以有效地提高功放模塊的功率密度。以往在Ka頻段為了減小功放模塊和功率合成器的體積，多采用沒有隔離度的波導(dǎo)T型結(jié)[2]等形式的功率合成結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)分支線功率合成器[3]、波導(dǎo)H面縫隙耦合功率合成器[4]和加載電阻膜片的波導(dǎo)T型結(jié)功率合成器[5]等結(jié)構(gòu)雖然具有一定的隔離度，但是前兩者的工作帶寬有限并且占用較大的體積，加載電阻膜片的波導(dǎo)T型結(jié)結(jié)構(gòu)緊湊，但是其插入損耗較大、加工裝配難度大、電阻膜片承受的負(fù)載功率較低。魔T形式的功率合成器雖然具有緊湊的體積、較小的插入損耗、較大的負(fù)載承受功率，但是因?yàn)槠?端口的結(jié)構(gòu)形式限制了其在功率合成器中的應(yīng)用。本文在魔T的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，充分利用其作為功率合成器的優(yōu)點(diǎn)，采用分層設(shè)計的形式完全化解了其不利于規(guī)模集成的缺點(diǎn)。最終利用魔T形式的功分器采用多層設(shè)計的方式，結(jié)合電路功率合成在Ka頻段設(shè)計了一款32路的功率合成模塊。該模塊具有結(jié)構(gòu)緊湊、支路間隔離度高、方便工程應(yīng)用和易散熱的優(yōu)點(diǎn)。

1 波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換

波導(dǎo)的傳輸損耗較低，微帶線方便模塊小型化設(shè)計，所以在Ka頻段功率合成模塊中為了兼顧二者的優(yōu)點(diǎn)多用到波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換。這些轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)一般需要滿足以下要求：

① 傳輸損耗小、回波損耗大并且具有足夠的頻帶寬度。表明這種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)必須在電性能上滿足信號傳輸?shù)囊螅ＷC信號經(jīng)過這樣的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)以后在其幅度和相位上不發(fā)生太大變化。

② 易于加工，便于工程實(shí)現(xiàn)，裝備容易具有良好的一致性。

波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換的常用方法主要有：鰭線轉(zhuǎn)換、脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換、微帶探針轉(zhuǎn)換[6]和同軸探針轉(zhuǎn)換等。鰭線過渡加工和安裝方便，插損小、體積大、易產(chǎn)生諧振效應(yīng)，不易實(shí)現(xiàn)寬帶過渡；脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換性能良好，需要精密機(jī)械加工、體積大；微帶探針轉(zhuǎn)換的插入損耗小、帶寬寬、結(jié)構(gòu)緊湊、加工方便、裝卸容易、不需調(diào)整；同軸線探針轉(zhuǎn)換的插入損耗小、帶寬好、結(jié)構(gòu)緊湊、加工方便、一致性較差、一般需要調(diào)整。所以本文設(shè)計的功率合成模塊應(yīng)用了波導(dǎo)-微帶探針轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。

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)安裝來提供一個波導(dǎo)窗并保證基片定位。波導(dǎo)-微帶探針轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微帶探針型波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意

使用HFSS軟件對該波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換進(jìn)行了仿真分析。由仿真結(jié)果可知，該轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在26～36GHz插入損耗小于0.2dB，波導(dǎo)輸入端口的回波損耗優(yōu)于20dB。

2 3dB功率分配/合成器

3dB威爾金森電橋[7]是毫米波集成電路可采用電橋的主要形式之一，該電橋電路結(jié)構(gòu)簡單，隔離端口無接地要求，電路制作容易。電路傳輸信號在幅度和相位上的平衡主要依靠電路結(jié)構(gòu)固有的對稱性，因此，帶寬較寬，可以滿足功率合成時信號平衡度的要求。因此，以3dB威爾金森電橋?yàn)榛竞铣蓡卧亩嗉壒β史峙?合成網(wǎng)絡(luò)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、平衡性好、帶寬寬和集成度高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于功率單片中，以提高單器件的輸出功率。

對于毫米波微帶集成電路來說，由于工作波長短，傳統(tǒng)的微帶集成威爾金森電橋電路的實(shí)際尺寸較大，已不具備實(shí)際的使用價值。另外，對于電橋隔離電阻而言，如果采用一般的厚膜電阻，在毫米波頻段性能較差。隨著薄膜技術(shù)的發(fā)展，目前以陶瓷和石英等介質(zhì)為基板的微帶電路的加工精度越來越高，并且可以在基片上制作薄膜電阻，這樣可以極大地改善隔離電阻的高頻效應(yīng)。以石英為介質(zhì)基板的威爾金森功率分配/合成器如圖2所示，該功率合成器具有插損小、隔離度高和尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。另外，隨著GaAs工藝技術(shù)的進(jìn)步，以GaAs為介質(zhì)的威爾金森功率合成器也被設(shè)計成為標(biāo)準(zhǔn)的功率合成器產(chǎn)品。

圖2 石英介質(zhì)威爾金森功率合成器

魔T是4端口網(wǎng)絡(luò)中的一個元件，用模式匹配法和疊加原理可以對魔T結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析[8]。理想的魔T是一個無耗、互易的四端口網(wǎng)絡(luò)，其S參數(shù)矩陣為：

根據(jù)幺正性可以得到：

S33=S44=S34=0，S11=S22=S12=0。

魔T的4個端口必須同時匹配。此時有

其中魔T的E臂對應(yīng)4端口，H臂對應(yīng)3端口，1臂和2臂為結(jié)構(gòu)對稱的平分臂，只要E臂和H臂之間既有良好的隔離又有良好的端口匹配，那么1和2之間也可以做到良好的隔離和端口匹配。魔T可以看成是波導(dǎo)E面T型結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)H面T型結(jié)構(gòu)的疊加，二者疊加以后形成的4端口網(wǎng)絡(luò)同時保持了二者功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，又避免了3端口網(wǎng)絡(luò)存在的固有弊端，從而形成了一個性能良好的功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)。波導(dǎo)E面T型分支是一種串聯(lián)分支，類似于微帶傳輸線結(jié)構(gòu)的串聯(lián)分支。在這種T型結(jié)構(gòu)的匹配中，多用容性結(jié)構(gòu)來匹配阻抗，同時達(dá)到很好的功率分配和合成。波導(dǎo)寬邊的不連續(xù)性將引入一個串聯(lián)電抗。通常的匹配方法是額外加入一個相反特性的電抗元件來抵消這個波導(dǎo)不連續(xù)帶來的電抗[9]，魔T結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 魔T功率分配合成結(jié)構(gòu)模型

使用HFSS軟件對該波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換進(jìn)行了仿真分析，由仿真結(jié)果可知，在26～34 GHz插入損耗小于0.2 dB，兩功率分配支路間的隔離度大于25 dB，輸入輸出端口的回波損耗優(yōu)于-20 dB。

3 波導(dǎo)空間混合微帶電路功率合成模塊

結(jié)合波導(dǎo)T型結(jié)功分器、波導(dǎo)-微帶探針過渡和石英介質(zhì)基板的威爾金森合成器實(shí)現(xiàn)的4路功率合成模塊如圖4所示。

圖4 4路功率合成模塊

選用輸出功率為2 W的功率單片HMC906作為上述4路功率合成模塊的放大器，4路功率合成以后在27.5～31.5 GHz總的輸出功率為7 W左右，該模塊的功率合成效率大于85%。功率合成效率主要取決于功率合成器的損耗、功率合成支路間幅度和相位的一致性等因素，完全采用波導(dǎo)空間功率合成方式其合成效率可以達(dá)到90%[10],但其缺點(diǎn)是功率合成模塊體積較大。

為使魔T功率分配/合成器適于大規(guī)模的功率合成網(wǎng)絡(luò)，將波導(dǎo)魔T改進(jìn)設(shè)計，并把這種結(jié)構(gòu)分層應(yīng)用于多路功率合成器中，如圖5所示。將8合路器的出口和相應(yīng)8分路器的出口用波導(dǎo)連接并對8路魔T功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖6所示。由仿真結(jié)果可知：8路魔T功率分配/合成器在26～34 GHz，8路間幅度不平衡度小于0.2 dB，8路魔T功率分配/合成器的背靠背結(jié)構(gòu)在26～34 GHz插入損耗小于0.3 dB,合路器輸入端回波損耗優(yōu)于-20 dB。

圖5 應(yīng)用3級魔T的8路功率合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖6 3級魔T的8路功率合成網(wǎng)絡(luò)背靠背結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

將設(shè)計的混合4路功率合成模塊裝配到魔T形式的8路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)上便可實(shí)現(xiàn)一個32路功率合成的模塊，如圖7所示，該模塊的尺寸為160 mm×55 mm×42 mm。實(shí)際加工的8路魔T功率分配/合成器的背靠背結(jié)構(gòu)的插入損耗在26～34 GHz是0.8～1.0 dB，所以單8合路器的電路損耗約為0.45 dB，它引起的合成效率約為90%，所以整個32路功率合成模塊的功率合成效率約為80%。電路尺寸的減小導(dǎo)致功率合成器的損耗減小，所以本文實(shí)現(xiàn)了同32路波導(dǎo)空間功率合成[11]相當(dāng)?shù)墓β屎铣尚?。?2路功率合成模塊與3路功率分配/合成器[12]進(jìn)行組合還可以實(shí)現(xiàn)非二進(jìn)制路數(shù)的功率合成，方便功率合成放大器整機(jī)的設(shè)計。

圖7 32路功率合成模塊

4 結(jié)束語

突破以往在Ka頻段僅采用波導(dǎo)空間功率合成的方式，把微帶電路的功率合成和波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成結(jié)合在一起可以有效減小功率模塊的體積，更加適合工程應(yīng)用。將魔T功率合成器進(jìn)行疊層設(shè)計，在充分利用魔T功率合成器高隔離度的情況下可以大大減小功率合成器的體積。最終設(shè)計的Ka頻段功率合成放大器其需要散熱的功率模塊以陣列的形式排列在功放模塊的一側(cè)，這樣既能減小功放模塊的體積又能方便整個模塊的散熱。

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王 斌 男，(1983—)，博士，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星通信技術(shù)、微波毫米波技術(shù)。

汪春霆 男，(1965—)，博士生導(dǎo)師，研究員。主要研究方向：天基信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

Design of a Power Combing Amplifier in Ka-band

WANG Bin,WANG Chun-ting

(The54thResearchInstituteofCECT,ShijiazhuangHebei050081,China)

In order to meet the need of system for transmitter miniaturization,the paper presents a power combing amplifier in Ka-band.The power density of the power combing amplifier is increased through waveguide spatial power combining and circuit power combining.A low-loss millimeter wave microstrip integrated 3 dB hybrid is proposed,which extracts the advantages of traditional Wilkinson hybrid.It is easily fabricated and with low cost,and its insertion loss is lower than 0.3 dB within 26～32 GHz.A novel magic tee is proposed,which not only maintains a good 3 dB power division,but also improves the isolation between the two output ports.A Ka-band power combining network based on the two 3 dB hybrids can improve the stability of power amplifier.

millimeter wave;power combining;microstrip integrated 3 dB hybrid;magic tee

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.01.12

王 斌,汪春霆.一種Ka頻段功率合成放大器的設(shè)計[J].無線電工程,2017,47(1):49-52.

2016-11-07

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)基金資助項(xiàng)目(2015AA015701)。

TN73

A

1003-3106(2017)01-0049-04