一種Ka頻段功率合成放大器的設計

王 斌，汪春霆

(中國電子科技集團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計

王 斌，汪春霆

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

為了滿足系統對發射機小型化的需求，設計了一種Ka頻段功率合成放大器，采用波導空間功率合成結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。吸收傳統威爾金森電橋的優點，設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功率合成結構，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電橋為基礎的Ka頻段功率合成網絡，可提高功率合成放大器工作的穩定性。

毫米波；功率合成；微帶集成3 dB電橋；魔T

0 引言

隨著波導空間功率合成技術[1]的發展，在Ka頻段往往會陷入僅采用波導空間功率合成方式的誤區。薄膜電路工藝技術的進步使得低損耗Ka頻段微帶形式的功率合成器成為可能。在Ka頻段采用波導空間功率合成結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T型結[2]等形式的功率合成結構。波導分支線功率合成器[3]、波導H面縫隙耦合功率合成器[4]和加載電阻膜片的波導T型結功率合成器[5]等結構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T型結結構緊湊，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、較大的負載承受功率，但是因為其4端口的結構形式限制了其在功率合成器中的應用。本文在魔T的基礎上對其進行改進設計，充分利用其作為功率合成器的優點，采用分層設計的形式完全化解了其不利于規模集成的缺點。最終利用魔T形式的功分器采用多層設計的方式，結合電路功率合成在Ka頻段設計了一款32路的功率合成模塊。該模塊具有結構緊湊、支路間隔離度高、方便工程應用和易散熱的優點。

1 波導-微帶轉換

波導的傳輸損耗較低，微帶線方便模塊小型化設計，所以在Ka頻段功率合成模塊中為了兼顧二者的優點多用到波導-微帶轉換。這些轉換結構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。表明這種轉換結構必須在電性能上滿足信號傳輸的要求，保證信號經過這樣的轉換結構以后在其幅度和相位上不發生太大變化。

② 易于加工，便于工程實現，裝備容易具有良好的一致性。

波導-微帶轉換的常用方法主要有：鰭線轉換、脊波導轉換、微帶探針轉換[6]和同軸探針轉換等。鰭線過渡加工和安裝方便，插損小、體積大、易產生諧振效應，不易實現寬帶過渡；脊波導轉換性能良好，需要精密機械加工、體積大；微帶探針轉換的插入損耗小、帶寬寬、結構緊湊、加工方便、裝卸容易、不需調整；同軸線探針轉換的插入損耗小、帶寬好、結構緊湊、加工方便、一致性較差、一般需要調整。所以本文設計的功率合成模塊應用了波導-微帶探針轉換結構。

微帶探針型轉換結構是從同軸探針發展而來，通過一段耦合微帶探針把波導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實現探針與微帶線阻抗匹配。矩形波導中距轉換結構λ/4的短路活塞保證探針在波導中處于電場最強的位置，介質基片穿過矩形波導安裝來提供一個波導窗并保證基片定位。波導-微帶探針轉換的結構如圖1所示。

圖1 微帶探針型波導-微帶轉換結構示意

使用HFSS軟件對該波導-微帶轉換進行了仿真分析。由仿真結果可知，該轉換結構在26～36GHz插入損耗小于0.2dB，波導輸入端口的回波損耗優于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，該電橋電路結構簡單，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構固有的對稱性，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威爾金森電橋為基本合成單元的多級功率分配/合成網絡，具有結構緊湊、平衡性好、帶寬寬和集成度高的優點，廣泛應用于功率單片中，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，傳統的微帶集成威爾金森電橋電路的實際尺寸較大，已不具備實際的使用價值。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。隨著薄膜技術的發展，目前以陶瓷和石英等介質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。以石英為介質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點。另外，隨著GaAs工藝技術的進步，以GaAs為介質的威爾金森功率合成器也被設計成為標準的功率合成器產品。

圖2 石英介質威爾金森功率合成器

魔T是4端口網絡中的一個元件，用模式匹配法和疊加原理可以對魔T結構進行理論分析[8]。理想的魔T是一個無耗、互易的四端口網絡，其S參數矩陣為：

根據幺正性可以得到：

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4端口，H臂對應3端口，1臂和2臂為結構對稱的平分臂，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E面T型結構和波導H面T型結構的疊加，二者疊加以后形成的4端口網絡同時保持了二者功率分配/合成網絡的優點，又避免了3端口網絡存在的固有弊端，從而形成了一個性能良好的功率分配/合成網絡。波導E面T型分支是一種串聯分支，類似于微帶傳輸線結構的串聯分支。在這種T型結構的匹配中，多用容性結構來匹配阻抗，同時達到很好的功率分配和合成。波導寬邊的不連續性將引入一個串聯電抗。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不連續帶來的電抗[9]，魔T結構如圖3所示。

圖3 魔T功率分配合成結構模型

使用HFSS軟件對該波導-微帶轉換進行了仿真分析，由仿真結果可知，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于-20 dB。

3 波導空間混合微帶電路功率合成模塊

結合波導T型結功分器、波導-微帶探針過渡和石英介質基板的威爾金森合成器實現的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，完全采用波導空間功率合成方式其合成效率可以達到90%[10],但其缺點是功率合成模塊體積較大。

為使魔T功率分配/合成器適于大規模的功率合成網絡，將波導魔T改進設計，并把這種結構分層應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8分路器的出口用波導連接并對8路魔T功率分配/合成網絡進行仿真分析，仿真結果如圖6所示。由仿真結果可知：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/合成器的背靠背結構在26～34 GHz插入損耗小于0.3 dB,合路器輸入端回波損耗優于-20 dB。

圖5 應用3級魔T的8路功率合成網絡結構

圖6 3級魔T的8路功率合成網絡背靠背結構仿真結果

將設計的混合4路功率合成模塊裝配到魔T形式的8路功率分配/合成網絡上便可實現一個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。實際加工的8路魔T功率分配/合成器的背靠背結構的插入損耗在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%。電路尺寸的減小導致功率合成器的損耗減小，所以本文實現了同32路波導空間功率合成[11]相當的功率合成效率。該32路功率合成模塊與3路功率分配/合成器[12]進行組合還可以實現非二進制路數的功率合成，方便功率合成放大器整機的設計。

圖7 32路功率合成模塊

4 結束語

突破以往在Ka頻段僅采用波導空間功率合成的方式，把微帶電路的功率合成和波導內空間功率合成結合在一起可以有效減小功率模塊的體積，更加適合工程應用。將魔T功率合成器進行疊層設計，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，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：衛星通信技術、微波毫米波技術。

汪春霆 男，(1965—)，博士生導師，研究員。主要研究方向：天基信息網絡技術。

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計[J].無線電工程,2017,47(1):49-52.

2016-11-07

國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2015AA015701)。

TN73

A

1003-3106(2017)01-0049-04