微波寬帶固態(tài)高功率合成關(guān)鍵技術(shù)的探析

滕新友，孫建華，邰戰(zhàn)雄，任業(yè)富，王玉柱

（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司，四川 綿陽 621000）

0 引言

微波的頻率范圍為0.3～3000GHz，其具有高、寬、容量大等特征，廣泛運(yùn)用于多個領(lǐng)域。其中，組成微波電路的關(guān)鍵部件包括功率合成器和分配器，其功率合成關(guān)鍵技術(shù)決定了微波系統(tǒng)性能指標(biāo)的優(yōu)劣，這種品質(zhì)體現(xiàn)在系統(tǒng)的通信質(zhì)量、抗干擾能力等方面。當(dāng)前，功率放大器件運(yùn)用比較普遍，市場上主要有電真空器件和固態(tài)功率器件兩種，兩種器件具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)：電真空器件體積大、電壓高、可靠性低；固態(tài)功率器件體積小、頻帶寬、可靠性高，但受限于半導(dǎo)體材料、工藝等技術(shù)，單支固態(tài)功率器件輸出功率不高，無法滿足系統(tǒng)功率需求，因此，固態(tài)功率合成技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1 固態(tài)功率合成技術(shù)的使用

功率合成技術(shù)是指使用合適的功率合成網(wǎng)絡(luò)，將不同的功率源信號進(jìn)行組合并且輸出疊加，形成疊加信號＞單個輸出信號，功率＞單個功率的現(xiàn)象，該技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，發(fā)展至今已經(jīng)逐漸形成規(guī)模。作為研究的熱點(diǎn)，當(dāng)前，MMIC的功率放大器在現(xiàn)有的技術(shù)支持下很難實(shí)現(xiàn)高功率輸出，真空電子器件當(dāng)中的行波管能夠提高功率的輸出，但是缺乏寬帶性能[1]，因此，將多個功率放大器使用功率合成技術(shù)組合放大，實(shí)現(xiàn)高功率輸出，得到越來越廣泛的應(yīng)用。

2 合成技術(shù)

2.1 芯片合成

芯片功率合成是將若干個源芯片以串聯(lián)或并聯(lián)的方式運(yùn)用在微波單片集成電路設(shè)計當(dāng)中，以金絲鍵合的形式連接輸入輸出匹配電路來實(shí)現(xiàn)高功率輸出，該概念在1968年被提出，在芯片上串聯(lián)，在熱傳輸路徑上并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)功率合成。在20世紀(jì)末，Kohji Matsunaga等人第一次提出MMIC多芯片功率合成技術(shù)，當(dāng)時輸出的功率為3W。芯片技術(shù)的合成優(yōu)勢是體積小且功率高，頻帶寬且電路穩(wěn)定，但在使用過程中受到合成管芯數(shù)量的限制而無法實(shí)現(xiàn)高效率傳輸。若在微波高頻段內(nèi)工作，電路的尺寸就會變小，芯片距離縮小會導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量無法高效散出，影響合成效率，甚至導(dǎo)致芯片損害。除了在理論和設(shè)計上存在限制，工藝上也存在一定的制作要求。因此在后續(xù)的研究中，若要提高單個MMIC的高功率輸出，則需要將材料與工藝作為主要的突破口[2]。

2.2 電路合成

電路合成技術(shù)是使用功率合成網(wǎng)絡(luò)合成任意一個功放單元，在整合排列之后提高輸出功率。芯片合成技術(shù)的應(yīng)用局限性很大，無法適應(yīng)高功率輸出的要求。電路合成技術(shù)的優(yōu)勢是組裝調(diào)配性能良好、隔離良好。目前最常使用的電路合成技術(shù)是使用微波集成傳輸線，但是在這個過程中需要使用多個芯片和傳輸網(wǎng)絡(luò)。在高頻段運(yùn)用當(dāng)中，特別是大功率輸出電路中，存在的電路損耗及在內(nèi)部不同單元之間的相互作用將明顯影響合成輸出效果，因此路式功率合成技術(shù)在高頻段運(yùn)用當(dāng)中仍舊存在限制。根據(jù)不同的電路形式，電路合成分為諧振式與非諧振式功率合成。前者在毫米波高端頻段當(dāng)中的作用非常明顯，具備傳輸路徑短和損耗小等優(yōu)勢，因此合成效率高，但存在頻帶窄和合成器件數(shù)目受到模式問題的限制缺陷，且合成電路Q值（品質(zhì)因素）高，因此，使用范圍比較窄。后者的帶寬更寬，隔離度也更高，高效率的傳輸更具備穩(wěn)定性，從20世紀(jì)60年代之后，合成頻帶寬且合成規(guī)模技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中的運(yùn)用越來越普遍，同時也刺激了人們對該技術(shù)的需求，但隨著端口數(shù)量的不斷增加，技術(shù)具備的隔離性能被削弱，合成方式主要有三種。

2.3 空間功率合成

M.F Durkin在20世紀(jì)80年代提出空間功率合成技術(shù)，目前已經(jīng)被人們所廣泛關(guān)注。將多支路功率模塊的輸出功率耦合為空間波束來調(diào)整電磁波束，能夠運(yùn)用在任意空間且在任意空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率疊加，功率被放大從而滿足實(shí)際需要。該技術(shù)的優(yōu)勢在于路徑短、損耗量小、先進(jìn)性非常明顯，為多路徑合成一路技術(shù)。但是體積比較大，制作過程需要投入大量成本，因此該技術(shù)并沒有得到廣泛的運(yùn)用。在實(shí)際運(yùn)用過程中，空間功率合成主要分為兩類：一類是準(zhǔn)光功率，另一類是自由空間功率合成，但無論是哪一種，其中的重點(diǎn)都是功率的高效分配與收集[3]。

2.4 混合式技術(shù)

在目前，人們更運(yùn)用混合式功率合成技術(shù)來達(dá)到需要，混合式就是將幾種合成方式的優(yōu)勢組合起來合成一種技術(shù)的形式，這種技術(shù)的優(yōu)勢在于形成技術(shù)互補(bǔ)公用優(yōu)勢的情況，運(yùn)用最低的成本實(shí)現(xiàn)最高功率的輸出。在當(dāng)前，人們大都使用芯片式功率合成技術(shù)，但是由于單個芯片無法滿足大功率輸出的需求，因此也在研究芯片的合成技術(shù)。因此芯片為第一級，電路技術(shù)為第二級，如有必要則繼續(xù)疊加。除了這些方式之外，現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中，常常有介質(zhì)波導(dǎo)功率合成、推挽電路功率合成等方式，將其運(yùn)用在一些有特殊需求的場合。

3 固態(tài)功率合成的技術(shù)的探析

3.1 寬帶

MMIC的帶寬，商用的MMIC芯片帶寬基本上都能夠達(dá)到10%。當(dāng)前，第三代半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，以GaN和SiC為主，第三代半導(dǎo)體材料具備高飽和電子漂移速度、高臨界擊穿電場等優(yōu)勢，正是這些優(yōu)勢讓第三代半導(dǎo)體材料廣泛運(yùn)用在功放芯片的設(shè)計制作當(dāng)中，而GaN的輸出阻抗高、帶寬更大，因此更容易實(shí)現(xiàn)匹配設(shè)計[4]。

拓展寬帶的原理：主要是分為多節(jié)匹配傳輸線、漸變傳輸線。單枝節(jié)匹配是比較常見的方式，但是實(shí)際需求帶寬無法滿足需求，需要使用多節(jié)變換器。而漸變傳輸線類型主要是指數(shù)、三角形、Klopfenstein這三種漸變。

3.2 功率的合成效率分析

功率合成/分配網(wǎng)絡(luò)、功率放大芯片是決定合成效率的關(guān)鍵，其中需要保證功率合成/分配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)良性能，才能夠決定輸送網(wǎng)絡(luò)的合成質(zhì)量。在同功率條件下合成效率越高，就代表輸出功率越高。

技術(shù)原理如圖1所示，將信號經(jīng)過功率分配器，把信號分成多路信號，放大信號，經(jīng)過功率合成器輸出功率。

圖1 功率合成基本原理

而在具體的設(shè)計過程中，在理想狀態(tài)下合成效率能夠達(dá)到100%，實(shí)際上要達(dá)到這么高的合成效率是不可能的。應(yīng)該注意：（1）支路信號的幅相的不平衡，影響合成效率，平衡程度高就能夠達(dá)到較理想的合成狀態(tài)；（2）影響因素有三個，即支路幅相是否達(dá)到平衡程度、功放芯片是否全方位一致性、輸出功率；（3）關(guān)鍵因素主要是電路損耗[5]。

在設(shè)計的過程中一定要考慮這些方面。以N級二進(jìn)制合成方式來研究具體的運(yùn)用，當(dāng)選擇這種方式時，合成器單元損耗限制了合成效率，合成級數(shù)越多難度就越大。實(shí)際上電路損耗越嚴(yán)重，合成效率越低；級數(shù)多則效率低。此外，還應(yīng)考慮幅相一致性的影響，假設(shè)存在兩路合成信號，分別為p1、p2，合成輸出為：

如果幅相不對等而相位相等，則：

因此如果幅度差為0，合成效率為100%。如果幅度相等而相位不等，則：

當(dāng)上述相位差為0°，合成效率最大；如果相位差為90°則合成效率減半。而相位差為180°，則無功率輸出。當(dāng)幅度不等而相位也不等的情況下，則：

因此可以看出幅相不平衡，是影響合成效率提升的最主要因素。因此在設(shè)計的時候，應(yīng)該規(guī)避其中的存在的影響因素確保幅相一致。

4 實(shí)現(xiàn)與改善合成效率的途徑

基于現(xiàn)實(shí)情況能夠改善合成效率的方式有：首先，為避免功放芯片在合成之后存在差異，降低了功效，選擇芯片應(yīng)該選擇型號一致、同批次的芯片。其次，盡量選擇低損耗的集成傳輸線路，能夠降低電路損耗保證合成質(zhì)量，因此使用低損耗的介質(zhì)材料、控制線路長短；最后，在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計的整個環(huán)節(jié)做好規(guī)劃設(shè)計監(jiān)督管理，設(shè)計之前，檢查原材料、材料性能批次、型號等，以此來保證信號的傳輸避免出現(xiàn)不平衡的情況。在具體的設(shè)計過程中，使用傳統(tǒng)Wilkinson功率合成/分配器來研制出分配器，將其進(jìn)行加工和測試之后，得到了良好的效果。輸出功率的損耗小及端口駐波好，在電路結(jié)構(gòu)條件簡單的情況下能實(shí)現(xiàn)高功率電路的設(shè)計，使用價值很高。

5 結(jié)論

實(shí)際上，由于對超寬帶、高功率應(yīng)用的需求越來越多，固態(tài)功率合成領(lǐng)域需要達(dá)到超寬帶、高功率的發(fā)展目標(biāo)。在實(shí)際的設(shè)計過程中，采用微波集成傳輸線路設(shè)計而形成的功率合成網(wǎng)絡(luò)，在具體的使用過程當(dāng)中存在一定的缺陷。在這種情況下，很多專業(yè)人員在輸出功率方面做出了許多努力，但收效甚微，還需要把材料和工藝作為技術(shù)突破口，制作出新的器件和發(fā)展新的理論。