一種適用于衛(wèi)星通信發(fā)射機的功率合成器設(shè)計

劉其強，于 祥，陶輝華

（南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210014）

1 衛(wèi)星通信發(fā)射機

在Ku頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，發(fā)射機實現(xiàn)對射頻信號的功率放大，結(jié)合天線增益，使得衛(wèi)星通信系統(tǒng)的EIRP值達到一定的要求，滿足衛(wèi)星通信鏈路的使用要求，實現(xiàn)上行鏈路的信號暢通。

早期發(fā)射機設(shè)計時，末級功率芯片一般采用GaAs芯片，在Ku頻段，GaAs芯片輸出功率可以達到數(shù)瓦量級。一臺上百瓦的發(fā)射機，需要幾十只、上百只管子合成，從而導(dǎo)致合成路數(shù)多，合成效率低，整機可靠性差。受芯片工藝水平限制，功率更高的GaAs芯片未見報道，這限制了大功率固態(tài)發(fā)射機的發(fā)展。

隨著GaN芯片技術(shù)的進步，越來越多的發(fā)射機產(chǎn)品，逐漸使用GaN芯片作為末級功放管使用。目前，國內(nèi)的GaN功率芯片水平，在Ku頻段單芯片連續(xù)波輸出功率可以做到35 W?？紤]到輸出功率采樣、隔離器等無源器件的損耗，一臺Ku頻段40 W發(fā)射機，需要2只35 W的GaN功率芯片，進行功率合成，其輸出功率方能滿足使用要求。針對Ku頻段衛(wèi)星通信中40 W發(fā)射機的使用要求，本文設(shè)計了一種小巧的雙路功率合成器，該功率合成器為進一步減少體積，采用了減高波導(dǎo)設(shè)計。

2 波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換設(shè)計

波導(dǎo)傳輸線是一種三維立體結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點是傳輸損耗低、功率容量大；缺點是體積大、重量大，不便于有源電路集成。微帶傳輸線是一種平面二維結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點是體積小、重量經(jīng)，便于有源電路集成；缺點是傳輸損耗高、功率容量受限、散熱差。設(shè)計一種過渡產(chǎn)品，能夠?qū)㈦姶挪◤牟▽?dǎo)三維立體結(jié)構(gòu)過渡到微帶平面二維結(jié)構(gòu)，或者反之，具有現(xiàn)實意義。通過這種過渡，我們設(shè)計電路時，可以充分利用兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，避開它們的缺點。波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換電路便可以實現(xiàn)這一功能，下面介紹一種波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計。

圖1 波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換原理圖

波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的原理圖如圖1所示，它由三部分組成：一個波導(dǎo)功分器，兩個波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換。波導(dǎo)功分器實現(xiàn)波導(dǎo)功率分配，波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換實現(xiàn)波導(dǎo)三維立體結(jié)構(gòu)和平面微帶二維結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換。

使用高頻電磁仿真軟件HFSS，建立了一種常規(guī)的波導(dǎo)微帶 E面探針轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型[1]，如圖 2（a）所示。波導(dǎo)選用標準波導(dǎo)WR75的減高設(shè)計，長邊尺寸為：19.05 mm，短邊尺寸為：5.525 mm。該模型在波導(dǎo)的 E面中心插入微帶探針[2]，通過調(diào)整微帶探針距波導(dǎo)短路面的距離、微帶探針插入的深度、微帶探針的尺寸等參數(shù)，優(yōu)化端口輸入駐波。

圖2 （a）轉(zhuǎn)換模型

圖2 （b）輸入端口駐波曲線

建模時選用10 mil厚度的 RT/duroid5880作為基板材料，選用 Cu作為導(dǎo)帶材料。將探針過渡波導(dǎo)的寬度設(shè)置為 2.5 mm、高度設(shè)置為2 mm；50歐姆微帶線的寬度設(shè)置為 0.78 mm。將探針的長度設(shè)置為參數(shù) L1、寬度設(shè)置為參數(shù) W1，將高阻抗線的長度設(shè)置為參數(shù) L2、寬度設(shè)置為參數(shù) W2，將探針中心到波導(dǎo)短路面的距離設(shè)置為參數(shù) S。

在HFSS中，調(diào)整各參數(shù)值，優(yōu)化輸入端口駐波。如圖 2（b）所示，為優(yōu)化后的輸入端口駐波曲線。在頻率 12.0 GHz至16.0 GHz的范圍內(nèi)，輸入駐波 S11小于-30 dB。該模型在很寬的范圍內(nèi)，能夠?qū)㈦姶挪◤木匦尾▽?dǎo)的主模 TE10模過渡到微帶線的準 TEM波。

優(yōu)化后的各參數(shù)值如表 1所示。

表1 參數(shù)優(yōu)化值（單位：mm）

3 波導(dǎo)功分器設(shè)計

波導(dǎo)功分器采用波導(dǎo) E面 T型結(jié)實現(xiàn)，該型結(jié)構(gòu)較緊湊[3]，本文只針對無源互易網(wǎng)絡(luò)進行考慮，圖3給出了波導(dǎo) E面T型結(jié)的場分布圖。波導(dǎo)E面T型結(jié)的特性如下：

（1）當信號由公共端口饋入時，信號由兩側(cè)壁等幅反相輸出。

（2）當兩側(cè)壁分別饋入等幅反相信號，兩個信號在公共端口疊加輸出。

（3）當兩側(cè)壁分別饋入等幅同相信號，兩個信號在公共端口互相抵消，無輸出。

圖3 波導(dǎo)E面T型結(jié)場分布圖

采用HFSS仿真軟件，建立波導(dǎo)功分器的T型結(jié)仿真模型，優(yōu)化T型結(jié)的凸臺參數(shù)，得到T型結(jié)的初步參數(shù)模型。在T型結(jié)處添加一個矩形塊，用來補償T型結(jié)處的不連續(xù)性，通過優(yōu)化矩形塊的長度和寬度，得到最佳的輸入端口駐波和功率分配比。T型結(jié)的分支波導(dǎo)采用減高波導(dǎo)設(shè)計，可以有效的減小功分網(wǎng)絡(luò)的體積。

結(jié)合前面設(shè)計的波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換模型，建立波導(dǎo)功分、微帶轉(zhuǎn)換組合仿真模型，如圖4（a）所示。輸入波導(dǎo)選用標準矩形波導(dǎo)WR-75，標準WR75波導(dǎo)的窄邊尺寸是9.525 mm。設(shè)計時分支波導(dǎo)采用減高波導(dǎo)設(shè)計，其窄邊尺寸設(shè)計為5.525 mm，相比標準波導(dǎo)WR75有效降低窄邊尺寸4 mm，約降低到原尺寸的58%。通過微調(diào) T型結(jié)和微帶轉(zhuǎn)換的各參數(shù)值，優(yōu)化端口輸入駐波。得到的仿真結(jié)果如圖4（b）-4（d）所示。

在頻率 12.0 GHz至16.0 GHz的范圍內(nèi)，輸入端口駐波小于 -20 dB，如圖 4（b）所示；兩支路幅度差小于0.06 dB，如圖 4（c）所示；兩支路的相位差小于 179°，相鄰端口相位反相，如圖 4（d）所示。

圖4 （a）HFSS仿真模型

圖4 （b）輸入端口駐波曲線

圖4 （c）端口幅度曲線

圖4 （d）端口相位曲線

根據(jù)以上仿真模型，設(shè)計了一個背靠背的波導(dǎo)微帶功分、波導(dǎo)微帶合成的測試夾具。采用波導(dǎo) E面中間剖開的結(jié)構(gòu)形式，分為下腔和上腔。中間放置微帶線，上下腔合到一起，用螺釘固定。

腔體材料選用硬鋁合金，表面采用鍍鎳工藝。印制板材料采用 RO5880，表面鍍金工藝。加工裝配后的實物如圖 5所示。左邊是下腔，安裝有微帶探針；右邊是上腔，設(shè)計有 3個定位銷釘，做精準定位用。上下腔合到一起，使用螺釘固定牢靠，側(cè)面的波導(dǎo)口便是標準的WR75波導(dǎo)，便可以測試。

圖5 雙路波導(dǎo)微帶功分合路器實物圖

4 測試分析

搭建測試環(huán)境，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，進口波導(dǎo)二端口校準，測試輸入端口駐波和損耗特性曲線。在頻率13.75 GHz至14.5 GHz范圍內(nèi)，輸入端口駐波小于 -30 dB，插損小于 0.30 dB，如圖 6所示。從實測數(shù)據(jù)中，分析如下：該雙路波導(dǎo)微帶功率合路器是一種寬帶、低差損結(jié)構(gòu)。測試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進行對比后發(fā)現(xiàn)，實測數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)較吻合。

圖6 輸入端口駐波和損耗特性

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款衛(wèi)星通信發(fā)射機用 Ku頻段雙路波導(dǎo)微帶功率合路器，在頻率13.75 GHz至14.5 GHz范圍內(nèi)，輸入駐波小于-30 dB，換算成駐波比小于1.1，插損小于0.30 dB。該設(shè)計插損低、頻帶寬、尺寸小，在衛(wèi)星通信發(fā)射機中，進行功率分配、功率合成，具有很好的實用價值。該合成器通過級聯(lián)，可以實現(xiàn)4路、8路等多路功率合成，有潛在的優(yōu)化推廣價值。隨著 GaN芯片工藝的進步，結(jié)合功率合成，固態(tài)發(fā)射機的輸出功率、效率可以做得更好，體積可以做得更小。