Ka頻段10 W空間功率合成放大器

王 雷，郭少康，陳冠軍

(中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所 衛(wèi)星通信與廣播電視專業(yè)部，河北 石家莊 050081)

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Ka頻段10 W空間功率合成放大器

王 雷，郭少康，陳冠軍

(中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所 衛(wèi)星通信與廣播電視專業(yè)部，河北 石家莊 050081)

針對傳統(tǒng)波導(dǎo)魔T帶寬窄的問題，文中提出了一種改進(jìn)型波導(dǎo)魔T結(jié)構(gòu)。采用波導(dǎo)魔T與波導(dǎo)-微帶雙探針過渡作為基本功率/合成單元,通過三維電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行優(yōu)化仿真，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效率的4路功率合成。測試結(jié)果表明，在26～31 GHz的頻率范圍內(nèi)，1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率>40.6 dBm，合成效率>82%，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

Ka頻段；波導(dǎo)魔T；雙探針；功率合成

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，對高速、寬帶的需求日益增長，C、Ku波段等低頻資源變得日益擁擠。而毫米波具有波長短、波束窄、容量大的特點(diǎn)，以其獨(dú)特的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、制導(dǎo)等眾多領(lǐng)域中[1]。

功率放大器作為通信系統(tǒng)發(fā)射端的關(guān)鍵器件，輸出功率的大小直接決定了系統(tǒng)的作用距離、抗干擾能力及通信質(zhì)量。目前，在毫米波頻段受工藝、散熱、電路匹配等方面限制，單個(gè)固態(tài)功率放大器芯片輸出功率有限，為了達(dá)到更大的輸出功率同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)考慮，一般都采用功率合成技術(shù)[2-6]。在眾多的功率合成技術(shù)中，特別是在微波等低頻段傳統(tǒng)的電路合成多采用威爾金森電橋、分支線、Lange耦合等結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的優(yōu)點(diǎn)，但是在毫米波頻段平面合成損耗較大，合成效率會(huì)隨著功分/合成網(wǎng)絡(luò)的級(jí)數(shù)增加而顯著下降。而空間功率合成具有插損小、合成效率高的優(yōu)點(diǎn)，因此，在毫米波頻段大多采用空間功率合成[7-12]。本文提出了一種基于波導(dǎo)魔T的新型、空間功率合成方案，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了Ka頻段10 W的功率輸出。

1 功率合成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

1.1 整體方案設(shè)計(jì)

圖1所示功放模塊整體框圖，本設(shè)計(jì)采用了一種改進(jìn)型波導(dǎo)魔T與波導(dǎo)-微帶雙探針相結(jié)合的四路空間功率合成網(wǎng)絡(luò)。增益放大器放置在模塊的最前端用以提高整個(gè)功放模塊的增益；驅(qū)動(dòng)放大器用于輸出足夠的功率來推動(dòng)末級(jí)功放；波導(dǎo)魔T將驅(qū)動(dòng)信號(hào)一分為二，每一路又通過波導(dǎo)-微帶雙探針過渡將信號(hào)再分，構(gòu)成四路功率分配/合成放大器。整個(gè)功率合成放大器模塊具有結(jié)構(gòu)節(jié)湊、效率高、易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。

圖1 整體方案框圖

1.2 四路功率合成無源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的波導(dǎo)魔T[11-13]是一個(gè)無耗、可逆的四端口網(wǎng)絡(luò)，可以看做是E-T型結(jié)和H-T型結(jié)功分器的疊加。從散射矩陣可以看出，波導(dǎo)魔T具有良好的匹配、隔離等特性。

(1)

但在實(shí)際工程應(yīng)用中，普通波導(dǎo)魔T，由于連接處結(jié)構(gòu)的突變，各個(gè)端口的反射比較大，實(shí)際應(yīng)用帶寬比較窄，在工程應(yīng)用中受到限制。因此，工程師們通常在普通魔T的連接處加入合適的調(diào)節(jié)體，將連接處的突變結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)成漸變結(jié)構(gòu)。比較常用的匹配元件有螺釘、膜片、錐體等。螺釘、膜片調(diào)配比較困難且頻帶較窄；用錐體調(diào)配比較容易實(shí)現(xiàn)且頻帶較寬，但是加工精度對其性能影響較大，一致性難以保障。如圖2所示，設(shè)計(jì)了在接頭處加入不連續(xù)性金屬隔板的改進(jìn)型波導(dǎo)魔T，它能同時(shí)匹配E-T分支所需要的容性結(jié)構(gòu)和H-T分支所需要的感性結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)突變結(jié)構(gòu)處的金屬隔板尺寸來調(diào)整中心頻率和帶寬，機(jī)加工結(jié)構(gòu)簡單。從仿真結(jié)果如圖3所示，在26～31 GHz的頻率范圍內(nèi)，其插入損耗<0.2 dB，回波損耗<-20 dB，兩輸出端口隔離度優(yōu)于-15 dB。

圖2 改進(jìn)型波導(dǎo)魔T功分器

圖3 改進(jìn)型波導(dǎo)魔T功分器仿真結(jié)果

波導(dǎo)-微帶探針過渡原理與微帶天線一樣，微帶線插入波導(dǎo)腔中后，微帶線相當(dāng)于一個(gè)電探針，與探針方向相同且具有一定電場強(qiáng)度的波導(dǎo)模將在微帶線上激勵(lì)起電流；根據(jù)互易定理，當(dāng)微帶線的準(zhǔn)TEM模進(jìn)入波導(dǎo)時(shí)產(chǎn)生的探針電流也會(huì)激勵(lì)起波導(dǎo)模，這樣才能保證波導(dǎo)TE10模耦合到微帶線的準(zhǔn)TEM模中。同時(shí)，要保證微帶探針與波導(dǎo)短路面的距離為四分之一波導(dǎo)波長，使得波導(dǎo)內(nèi)未耦合到探針的能量經(jīng)過波導(dǎo)短路面反射后重新進(jìn)入探針。波導(dǎo)-微帶雙探針[14-15]過渡是在單探針的基礎(chǔ)上在波導(dǎo)腔中又插入一個(gè)微帶探針，經(jīng)過優(yōu)化仿真，使波導(dǎo)中的能量平均耦合到兩個(gè)微帶探針中。四路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)無源結(jié)構(gòu)如圖4所示，仿真結(jié)果如圖5所示，從仿真結(jié)果可以看出，在26～31 GHz的頻率范圍內(nèi)，插入損耗<0.5 dB，回波損耗<-15 dB。

圖4 四路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)

圖5 四路功率合成仿真結(jié)果

2 Ka頻段10 W功率合成放大器實(shí)現(xiàn)

2.1 有源部分具體實(shí)現(xiàn)

功放末級(jí)芯片采用4片TGA4505，驅(qū)動(dòng)放大器采用TGA4509，增益放大器采用AMMC5040，上述幾種芯片都需要有正負(fù)電源供電，因而在供電時(shí)設(shè)計(jì)了一種時(shí)序保護(hù)電路，保證在加電時(shí)，先上負(fù)電，后加正電；掉電時(shí)先掉正電，后掉負(fù)電。同時(shí)，為了實(shí)時(shí)的監(jiān)測功放模塊的溫度、電流，在模塊中設(shè)計(jì)了溫度、電流監(jiān)控電路，通過CAN接口實(shí)時(shí)的上報(bào)給主機(jī)，從而更好的保護(hù)功放模塊因過溫，過流而燒毀。

在功率單片裝配之前，先將介質(zhì)基板通過導(dǎo)電膠工藝粘接在腔體上，無源結(jié)構(gòu)測試合格后再進(jìn)行后續(xù)裝配，裝配過程中應(yīng)嚴(yán)格按照微組裝裝配順序進(jìn)行單片燒結(jié)、金絲鍵和等操作，裝配好的實(shí)物如圖6所示。

圖6 功放模塊實(shí)物圖

圖7 功放模塊測試結(jié)果

2.2 實(shí)測結(jié)果

為保證最大功率輸出，減小因幅相不一致對合成效率的影響，末級(jí)四路TGA4505選擇同一批次的功放單片。單個(gè)TGA4505功率單片功率值無法測試，合成效率根據(jù)芯片資料給出的1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率值計(jì)算。測試結(jié)果如圖7所示，在26～31 GHz的頻率范圍內(nèi)，1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率>40.6 dBm，合成效率>82%，在國內(nèi)報(bào)道的同類產(chǎn)品中其帶寬和合成效率均處于領(lǐng)先水平。在30～31 GHz的頻率高端，合成效率下降，分析原因，可能是微組裝裝配的不一致，相位差值較大，使得功率合成模塊在頻率高端合成效率下降。

3 結(jié)束語

介紹了一種結(jié)構(gòu)新穎的改進(jìn)型波導(dǎo)魔T和波導(dǎo)-微帶雙探針相結(jié)合的四路功率分配/合成放大器，實(shí)現(xiàn)了寬頻、高效、大功率的功率輸出，且具有溫度、電流上報(bào)功能。具有構(gòu)思巧妙、重量輕、可靠性高、調(diào)試方便等特點(diǎn)，在26～31 GHz的頻率范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率>10 W的功率輸出，合成效率高于82%。要進(jìn)一步減小合成網(wǎng)絡(luò)的插入損耗，提高微組

裝裝配的工藝水平，改善頻率高端的合成效率。該模塊可作為功率合成的基礎(chǔ)模塊來實(shí)現(xiàn)更大的功率輸出，滿足Ka頻段系統(tǒng)對固態(tài)寬頻、高功率放大器的需求。

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Design of an Ka-Band 10 W Spatially Power Combined Amplifier

WANG Lei,GUO Shaokang,CHEN Guanjun

(Radio and Television Satellite Communication Unit,China Electronics Technology Group Corporation 54th Research Institute,Shijiazhuang 050081,China)

This paper points out the width of traditional waveguide magic-T and introduces the principle of the waveguide magic-T. Utilizing waveguide magic-T and waveguide to microstripe double probes transform structure as a basic power dividing/combining unit, the proposed passive structure is simulated and optimized by 3D field EM soft HFSS, a 4-way efficacy power combining is achieved. The results show that the mini 1dB output power 40.6dBm can be achieved with more than high efficiency of 82% in Ka band 26GHz-31GHz. which has fairy good engineering application value and prospect.

Ka band; Magic-T; double probes; power combine

2017- 05- 23

王 雷 (1982-)，男，碩士，工程師。研究方向：微波毫米波射頻技術(shù)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.043

TN81

A

1007-7820(2017)08-156-03