毫米波300 W脈沖功放的研究

吳小帥

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

隨著微波毫米波工程技術(shù)的發(fā)展，超大功率固態(tài)放大器在替代行波管固態(tài)化的趨勢(shì)下得到廣泛應(yīng)用。超大功率固態(tài)放大器具有體積小、供電電壓低、使用壽命長(zhǎng)和維護(hù)成本低等特點(diǎn)。但其輸出功率有限，為獲得更大功率輸出，往往需要高效功率合成技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)超大功率輸出。

傳統(tǒng)的電路合成技術(shù)如Wilkinson電橋等，面?zhèn)鬏斁€損耗大，合成效率隨合成網(wǎng)絡(luò)級(jí)數(shù)增加下降，限制了放大器的數(shù)量，無(wú)法滿(mǎn)足高效率與大功率的要求。因此，空間功率合成技術(shù)蓬勃發(fā)展，具有代表性的如：準(zhǔn)光合成、波導(dǎo)內(nèi)合成和徑向波導(dǎo)合成等。本文提出一種高效波導(dǎo)功率合成技術(shù)，應(yīng)用國(guó)產(chǎn)15 W GaN功率單片，采用24路功率合成網(wǎng)絡(luò)，在毫米波頻段實(shí)現(xiàn)300 W峰值功率輸出。

1 空間波導(dǎo)合成網(wǎng)絡(luò)研究

1.1 微帶波導(dǎo)過(guò)渡結(jié)構(gòu)

工作于TEM模的同軸線與矩形波導(dǎo)之間的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)多種多樣,包括探針和耦合環(huán)等，其中探針耦合是一種較為常用轉(zhuǎn)換方式。波導(dǎo)探針耦合電場(chǎng)分布如圖1所示，電場(chǎng)有且僅有y方向分量，且相對(duì)a邊中心對(duì)稱(chēng)分布，其模值呈半個(gè)正弦函數(shù)形式。當(dāng)探針沿a邊中心，平行于波導(dǎo)內(nèi)電場(chǎng)方向插入時(shí)，探針處于電場(chǎng)最強(qiáng)處，耦合最強(qiáng)。

圖1 波導(dǎo)探針耦合電場(chǎng)分布示意圖

根據(jù)上述原理，設(shè)計(jì)8 mm波段的波導(dǎo)同軸探針耦合結(jié)構(gòu)。通過(guò)優(yōu)化探針直徑、長(zhǎng)度和與短截面距離，實(shí)現(xiàn)低損耗波導(dǎo)-同軸-微帶轉(zhuǎn)換，將微波能量從波導(dǎo)轉(zhuǎn)入平面微帶電路(或相反)。這一結(jié)構(gòu)可保證MMIC的氣密性。使用仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真模型如圖2所示，根據(jù)計(jì)算結(jié)果：波導(dǎo)-同軸-微帶轉(zhuǎn)換損耗≤0.05 dB，根據(jù)實(shí)際制作經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用時(shí)插入損耗≤0.3 dB。

圖2 8 mm波導(dǎo)-同軸-微帶轉(zhuǎn)換的仿真模型

1.2 一分八功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

E面波導(dǎo)T型結(jié)通常用做微波、毫米波功率分配/合成器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，插入損耗小，是一個(gè)典型的三端口無(wú)耗互易網(wǎng)絡(luò)。一般基于E面T型結(jié)的波導(dǎo)功分器，類(lèi)似于不加隔離電阻的微帶Wilkinson功分器，某些改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，在T型結(jié)中引入電阻膜片，起到隔離電阻的作用，從而實(shí)現(xiàn)兩分配端口的隔離。而在E面T型結(jié)中引入其它調(diào)諧元件和匹配端口，構(gòu)成一種基于E面T型結(jié)的四端口網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)兩輸出端口間的隔離，且功率能力優(yōu)于膜片式，并可根據(jù)功率需求選擇負(fù)載。最重要的是引入的微波探針對(duì)原E面T型結(jié)形式的波導(dǎo)功分器的結(jié)構(gòu)影響很??；實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便、易加工、裝配方便。建立仿真模型，仿真結(jié)果顯示：在34～37 GHz，波導(dǎo)輸入輸出端口的回波均<-20 dB，兩路輸出信號(hào)的插損<0.07 dB，幅度不平衡度<0.04 dB，相位差(180±0.2)°，兩輸出端口可實(shí)現(xiàn)一定的隔離特性(20 dB隔離帶寬約10%)。一分八波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)以改進(jìn)型E面T型功分器(四端口，有隔離)為構(gòu)成核心，如圖3所示。八路分配/合成的的分配端口傳輸特性仿真結(jié)果和輸出端口間的隔離特性仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖3 八路合成的仿真模型

圖4 八路分配/合成的的分配端口傳輸特性仿真結(jié)果

圖5 八路分配/合成的的輸出端口間的隔離特性仿真結(jié)果

1.3 一分三波導(dǎo)分支線電橋設(shè)計(jì)

分支線電橋是一種常用的3 dB正交混合電橋，它主要由輸入端、隔離端、直通端以及耦合端共4個(gè)端口組成，其中直通端和耦合端作為輸出口，且兩輸出信號(hào)存在90°的相位差。其特性是：當(dāng)所有端口匹配時(shí)，由端口1輸入的功率在端口2和3之間平分且有90°的相位差，端口4無(wú)輸出，作為隔離端口。通過(guò)調(diào)節(jié)分支波導(dǎo)的特性阻抗能夠使分支波導(dǎo)電橋耦合度滿(mǎn)足特定要求(例如3 dB，4.77 dB，6 dB等)。據(jù)此，設(shè)計(jì)仿真了-4.78 dB的電橋，并與3 dB電橋聯(lián)接，進(jìn)行了建模仿真，如圖6所示。

圖6 五分支波導(dǎo)耦合器三功分器仿真模型

仿真結(jié)果表明，在34～38 GHz的范圍內(nèi)，各端口的反射損耗以及端口1、4和端口2、3之間的隔離都<-16 dB；在34～38 GHz的范圍內(nèi)，輸出端口傳輸特性與理論值最大偏差<-0.3～0.6 dB，端口間的幅度相差最大0.9 dB；背靠背的仿真結(jié)果為：插損<0.5 dB。據(jù)此，可實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)一分三的設(shè)計(jì)要求。

2 毫米波300 W功放的研制

該功放應(yīng)用15 W GaN功率單片，采用24路合成，首先設(shè)計(jì)8路波導(dǎo)功率合成，然后進(jìn)行3路波導(dǎo)功率合成。在毫米波頻段2 GHz帶寬內(nèi)，整體24路波導(dǎo)功率合成網(wǎng)絡(luò)合成損耗<0.8 dB，合成效率達(dá)83%。這種寬帶、高效、多路的功率合成網(wǎng)絡(luò)為毫米波頻段合成功放的設(shè)計(jì)提供了有利條件。原理框圖如圖8所示。依據(jù)以上原理設(shè)計(jì)、研制，在工作頻率為34～36 GHz的2 GHz帶寬內(nèi)，實(shí)現(xiàn)合成功放功率輸出>300 W，增益50 dB，效率>18%。輸出功率和效率實(shí)測(cè)曲線如圖8所示。

圖7 功放原理框圖

圖8 測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種毫米波頻段24路空間功率合成網(wǎng)絡(luò)，合成效率>83%。并創(chuàng)新性的改進(jìn)E面T型結(jié)的波導(dǎo)功分器模型，使之具備較高的路間隔離度，大幅提高功率合成的穩(wěn)定性。同時(shí)提出一分三波導(dǎo)分支線電橋的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效奇數(shù)三合一功率合成。利用此功分網(wǎng)絡(luò)研制了毫米波頻段24路合成功放，在2 GHz帶寬內(nèi)，實(shí)現(xiàn)合成功放功率輸出>300 W，增益50 dB，效率>18%。此毫米波合成功放具有帶寬寬、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

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

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

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

[4] 顧其諍,項(xiàng)家楨,袁孝康.微波集成電路設(shè)計(jì)[M]. 北京:人民郵電出版社,1979.

[5] 薛良金.毫米波工程基礎(chǔ)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2004.

[6] 楊崢崢.微帶功分器的設(shè)計(jì)[J].艦船電子對(duì)抗,2012(4):69-73.

[7] 劉云剛,徐軍.Ka 波段2W功率合成器的研究[J].微波學(xué)報(bào),2006,22(5):62-64.

[8] 馮永攀.一種N路寬帶功分器設(shè)計(jì)與仿真[J]. 河南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,41(3): 54-58.

[9] 劉永旺.Ku波段四路徑向功率合成器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子科技,2013,26(6):22-24.

[10] 江志浩,蔡德榮,王孜.空間功率合成技術(shù)的合成效率問(wèn)題研究[J].無(wú)線電通信技術(shù),2008(2):25-28.

[11] Grebennikor A.射頻與微波功率放大器的設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[12] 潘海波,張麗,吳小帥.基于毫米波的奇數(shù)波導(dǎo)功率合成器的研究[J].艦船電子對(duì)抗,2016,39(2):79-82.

[13] 衛(wèi)少卿,吳景峰,李思敏,等.一種Ka波段三路波導(dǎo)功率分配/合成器的設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體技術(shù),2011, 36(2):153-156.

[14] 李祖華,王霄,陳辰,等.毫米波固態(tài)器件及模塊技術(shù)進(jìn)展[J].真空電子技術(shù),2003(6):35-38.

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

[16] Michael P Delisio,Robert A York.Quasi-optical and spatial power combining[J].IEEE Transactions on Microwave Theory Technology,2002,50(3):929-936.