Ka頻段3W功放的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：本文介紹了一種Ka頻段3W功放的研制仿真過程及工程實現(xiàn)。首先，介紹了波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換與微帶功分/合路技術(shù)，其次，對探針型波導(dǎo)與微帶轉(zhuǎn)換及混合環(huán)功分/合路進行了設(shè)計仿真，最后，采用混合環(huán)功分/合路器級聯(lián)HMC906功放芯片，通過探針轉(zhuǎn)換形式實現(xiàn)3W功放的設(shè)計，其增益達到17.8dB，各項測試指標均滿足指標需求。

關(guān)鍵詞：Ka頻段；HMC906；功放芯片；微帶功分

中圖分類號：TN722.75 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）11-0036-04

Design and Implementation of Ka-band 3W Amplifier

CHEN Xiaozhong，ZHOU Dayu，WANG Pengbo

（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou 510663，China）

Abstract：This paper introduces the simulation process and engineering realization of a Ka band 3W power amplifier. Firstly，Waveguide-microstrip conversion and microstrip power splitting/combining technology are introduced. Secondly，the probe-type Waveguide-microstrip conversion and hybrid-loop power splitting/combining technology are designed and simulated. Finally，the hybrid-loop power divider/combiner cascaded HMC906 power amplifier chip is used to realize the design of 3W power amplifier by means of probe conversion. The gain reaches 17.8dB. All test indexes meet the needs of indicators.

Keywords：Ka-band；HMC906；power amplifier chip；microstrip power divider

0 引 言

隨著我國衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷發(fā)展，寬帶大數(shù)據(jù)需求越來越迫切，Ka/Ku頻段帶寬、頻譜資源豐富，有著低頻段沒有的天然優(yōu)勢，在二代星及派生衛(wèi)星通信系統(tǒng)上得到廣泛的運用[1]。Ka頻段功放廣泛應(yīng)用于Ka頻段發(fā)信機的末端，它將輸入信號進行功率的放大，然后進行發(fā)射。功放的性能直接影響發(fā)射輸出功率的大小，其優(yōu)良的性能指標是衛(wèi)星通信鏈路的重要保障。同時Ka頻段3W功放可以作為單個功放單元，利用功率合成技術(shù)獲得更大的功率，為后續(xù)大功率發(fā)信機做技術(shù)儲備。

1 主要技術(shù)指標

Ka頻段3W功放模塊的主要性能指標需求如表1所示。

表1 Ka頻段3W功放性能指標

2 功放設(shè)計方案

Ka頻段3W功放主要包括三個部分，即功放單元、功分/合路、波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換。其中，功放單元包括功放芯片電路實現(xiàn)功率的放大[2]；功分/合路包括不同形式的微帶功分/合路器實現(xiàn)功率的分配與組合；波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)波導(dǎo)端口和外部SMA接頭的電氣連接。

目前Ka頻段的功放芯片（裸片）中GaAs工藝更成熟、可靠性更高、市場應(yīng)用較廣泛。本文選定HMC906功放芯片進行應(yīng)用，其性能指標如表2所示。

表2 功放芯片性能指標

通過表2中的數(shù)據(jù)可以看出，HMC906芯片需要2片HMC906芯片通過微帶功率合成的方式來實現(xiàn)3W功率的輸出，其功放的結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

Ka頻段3W功放的系統(tǒng)組成為：采用2片HMC906功放芯片，與微帶功分/合路進行級聯(lián)，再通過波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)功放的設(shè)計[3]。

3 方案設(shè)計與仿真實現(xiàn)

功放芯片采用HMC906芯片，下面將詳細敘述波導(dǎo)微帶探針轉(zhuǎn)換和微帶功分/合路的仿真來實現(xiàn)3W功放的設(shè)計。

3.1 波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換

波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換是一種常用的波導(dǎo)轉(zhuǎn)出結(jié)構(gòu)，探針型是最常見的，其結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。波導(dǎo)中的工作模式為H01波，波導(dǎo)中H01波的能量通過探針的耦合作用在微帶上，以此激發(fā)TEM波，從而完成能量從波導(dǎo)到微帶的轉(zhuǎn)換[4]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

探針放置在波導(dǎo)的寬壁上，內(nèi)導(dǎo)體深入波導(dǎo)中的距離為D，為了使探針只向一個方向輻射，在左邊距離探針L處，放置了短路活塞。假定探針上所激發(fā)的高次模可以略去不計，于是微帶線上只有TEM波型[5]。

通過對波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究，繼而對Ka頻段波導(dǎo)探針轉(zhuǎn)換器進行仿真設(shè)計，以此來驗證這種轉(zhuǎn)換的指標性能，其HFSS仿真模型如圖3所示。

經(jīng)過對波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換HFSS模型的仿真得到，該結(jié)構(gòu)回波損耗在-25dB以下，差損小于0.1dB。對圖3進行實物加工，如圖4（a）所示，圖4（b）為測試過程。

從圖4可以看出，系統(tǒng)總的插損包括2個直波導(dǎo)測試件、2個波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換和一段直通的微帶線（WR28波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換已進行了波導(dǎo)校準）。通過測試系統(tǒng)總插損趨于0.85dB，預(yù)估兩個直波導(dǎo)插損為0.15dB，直通微帶線的插損約為0.15dB，則設(shè)計的單個波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的插損約為0.275dB，該性能完全符合設(shè)計的要求，可以用于該頻段的功放模塊中。

3.2 微帶功分/合路器仿真

微帶功分/合路器的設(shè)計采用混合環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。對于混合環(huán)而言，由于2和3端口距離1端口的電長度相同，信號從1端口進入則在2、3端口被均勻地分成兩個同相分量，若信號從4端口輸入，則在端口2和端口3將被等分成兩個有180°相位差的分量，而1端口將被隔離[6]。

經(jīng)過仿真，得到插入損耗、回波損耗及隔離度的結(jié)果如圖7所示。

從圖7（a）中可以看出，混合環(huán)的輸出端差損在3.3dB左右，回波損耗在-25dB以下，隔離度在25dB以上，仿真所有指標均滿足設(shè)計要求。

接下來利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對圖6中的實物進行測試，得到整個系統(tǒng)的測試插損為1.65dB，包括2個微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換約0.55dB、2個直通測試波導(dǎo)插損約為0.2dB和2個混合環(huán)結(jié)構(gòu)的插損，由此可得，混合環(huán)結(jié)構(gòu)的插損約為0.45dB。

3.3 Ka頻段3W功放測試

在模塊仿真完成后，按照圖1進行實物安裝，根據(jù)芯片HMC906器件資料中的增益和P_1dB數(shù)據(jù)，可以推算出輸入功率在10dBm以上才能達到芯片的P_1dB。由于本文使用的高頻信號發(fā)生器SMF100A在29GHz以上的輸出信號的最大值是10dBm，不能滿足芯片飽和驅(qū)動功率，故在測試單個芯片模塊時采用整機作為驅(qū)動，并用測試夾具將功放模塊的波導(dǎo)測試口轉(zhuǎn)換為標準測試口，芯片的柵壓和漏壓采用電源板進行供電[8]。整個測試框圖如圖8所示，測試實物圖如圖9所示。

該模塊實物如圖9（b）圖所示，（b）圖為（a）圖中A處的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。其功放模塊P_1dB的測試結(jié)果如表3所示。

從表3和表4功放模塊的測試結(jié)果來看，該功放模塊的P_1dB的最小功率為34.3dBm，其系統(tǒng)增益達到17.8dB，在工作頻段內(nèi)增益的波動范圍控制在4dB以內(nèi)，所有設(shè)計指標均滿足技術(shù)指標要求。

4 結(jié) 論

Ka頻段3W功放設(shè)計中波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換采用簡單實用的探針形式，微帶功分/合路采用隔離性能更優(yōu)的混合環(huán)功分設(shè)計，經(jīng)測試驗證其增益、1dB壓縮點輸出功率、幅頻響應(yīng)和系統(tǒng)功耗等指標均已達到指標要求。

參考文獻：

[1] 田偉，張鵬.Ka頻段寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)頻軌資源使用研究 [J].中國無線電，2017（1）：28-32.

[2] 孟祥宇.寬帶功率放大器的高效率理論和關(guān)鍵技術(shù)研究 [D].北京：北京郵電大學(xué)，2018.

[3] 許志濤，徐軍，王茂琰，等.Ka頻段矩形波導(dǎo)——微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) [J].電子科技大學(xué)學(xué)報，2013，42（5）：684-687+693.

[4] 王婧倩，孫厚軍.Ka波段微帶探針型波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) [C]//2005年海峽兩岸三地?zé)o線科技學(xué)術(shù)會.2005年海峽兩岸三地?zé)o線科技學(xué)術(shù)會論文集.北京：北京理工大學(xué)出版社，2005：236-239.

[5] 吳喬.Ka波段六端口直接變頻接收機前端及寬頻帶MIMIC功放的設(shè)計 [D].成都：電子科技大學(xué)，2008.

[6] 劉成帥，羅勇.基于3路功分器的Ka波段功率分配/合成的研究 [J].電子元件與材料，2014，33（3）：45-48.

[7] 張國強，王潔.一種Ka波段微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換的設(shè)計 [J].火控雷達技術(shù)，2014，43（2）：82-85.

[8] 任重，成海峰，徐建華，等.Ka波段三路波導(dǎo)功分器/合路器 [J].電子與封裝，2012，12（5）：22-27.

作者簡介：陳小忠（1979.03-），男，漢族，四川人，射頻天線部主任，工程師，學(xué)士學(xué)位。研究方向：衛(wèi)星通信、射頻技術(shù)；周大瑜（1989.06-），女，漢族，湖北人，微波電路設(shè)計師，碩士學(xué)位。研究方向：電磁場與微波技術(shù)；王鵬博（1993.08-），男，漢族，陜西人，助理射頻設(shè)計師，碩士學(xué)位。研究方向：衛(wèi)星通信、射頻技術(shù)。