X波段10 W功率合成放大器的設計與實現

薄淑華，劉瑜現，任 程

(航天科工集團303所，北京 100074)

0 引言

隨著軍用通信系統與商用系統的快速發展，對于高效率、寬帶、小型化固態功率放大器的需求與日俱增[1]。由于微波單片集成電路固態器件的輸出功率有限，廣泛使用功率合成技術以獲得更大的輸出功率[1-3]。功率合成是指通過功率合成網絡將多個相同型號的單元功放，以特定的相位關系實現信號疊加，使功率合成放大器的功率輸出能力相較于單元功放有明顯提升[4-5]。功率合成技術經過多年的發展和改進，可分為芯片式合成、電路式合成、空間功率合成、混合型功率合成及其他形式的功率合成技術[6]。電路式功率合成技術以其成本低、合成功率穩定等特點得到廣泛的應用。本文通過改進傳統功分器的結構和尺寸，進一步優化功分器的性能，并設計實現了一種平面的4路功率合成網絡。該功率合成網路具有較小的差損、良好的相幅一致性，并應用到功率合成放大器的研制中，取得了不錯的成效。

1 平面合成技術

本文主要研究的對象為微帶形式功率分配/合成網絡，首先分析傳統的Wilkinson功分器，然后優化功分器的結構和尺寸，使其結構簡單、體積小、差損小等優點[7-9]。對改進型Wilkinson功分器進行實物加工及測試，驗證新型Wilkinson功分器理論分析的正確性[10-12]。

1.1 介質基片的選取

微帶線作為目前最常用的平面型傳輸線，結構如圖1所示，其功率容量主要決定于金屬導帶寬度[13]，信號傳輸特性主要與以下參數有關：微帶線金屬導帶寬度W，介質基片厚度H，介質基片的介電常數ε。

圖1 微帶線結構

由微帶線的特性可以知道，介質基片的厚度相同時，介電常數越高，金屬導帶越窄；當介電常數相同時，介質基片越厚，金屬導帶越寬[14]。所以，為了使微帶線能夠承受更大的功率，可以選擇介電常數較小的介質基板且適當增加介質基板的厚度，從而使金屬導帶寬度增加，從而增加其功率容量[15]。本文采用Rogers RT 5880介質基片，其介電常數為2.2，導體材料為銅，導體表面粗糙系數為1 μm，導體厚度30 μm。

1.2 功率合成網絡的設計與實現

圖2 等分Wilkinson功分器原理

本文設計的功分器實物圖和仿真圖如圖3所示，功分器工作在8.6～9.6 GHz。Wilkinson功分器HFSS的仿真結果和測試結果如圖4和圖5所示。

圖3 等分Wilkinson功分器

圖4 Wilkinson功分器仿真結果

圖5 Wilkinson功分器測試結果

可以看出在有效的工作頻帶內功分器的仿真結果和測試結果大致吻合，功分器3個端口的駐波都小于1.5，2個端口的插入損耗都小于3.8 dB，端口隔離度大于28 dB。此結構應用于功率合成時，能夠保證良好的信號傳輸。

在功分器的性能得到驗證的前提下，將單個功分器結合微帶線進行整體仿真得到2×2的4路功率合成網絡的實物圖如圖6所示。4路功率合成網絡HFSS的仿真結果和測試結果如圖7和圖8所示，可以看出，4路功率合成網絡的駐波小于1.35，每一路差損小于0.9，不同通路之間的相位差小于5°，符合功率合成的技術要求。

圖6 4路功率合成網路實物

圖7 4路功率合成網絡仿真結果

圖8 4路功率合成網絡實測數據

2 4路功率合成放大器的設計和實現

在4路合成網絡性能驗證的基礎上，設計4路合成功率放大器。本文采用Hittite公司的HMC451芯片作為功率驅動放大芯片，工作頻率為5～20 GHz，放大器的增益為19 dB，放大器的飽和功率輸出21 dBm，端口采用50 Ω方式設計。通過微組裝加工方式，并采用金絲鍵合的工藝實現驅動放大器的性能。本文采用的功率放大器芯片NC31144S-812P5型號放大器芯片，其輸出工作頻帶為8～12 GHz，可以輸出4 W左右的連續波信號。本文根據放大器的功能特點設計放大器的匹配和電源電路。最后得到的4路功率合成放大器如圖9所示。

圖9 功率合成放大器實物

對4路功率合成放大器進行實際測試并得到結果如表1所示。由測試數據可以看出，4路功率放大器在整個工作頻帶內輸出功率達到40 dBm以上，即10 W以上。經計算，4路功率合成放大器的功率合成效率為82%以上。

表1 4路功率合成放大器輸出功率測試結果

頻率/GHz輸入功率/dBm飽和輸出功率/dBm8.67.941.78.77.641.58.87.441.38.97.441.19.07.440.79.17.440.49.27.540.29.310.240.49.410.440.69.510.640.49.610.440.7

放大器的合成效率為信號的平均輸出功率和4路芯片輸出功率的總和的比值：

3 結束語

本文通過對Wilkinson功分器進行優化設計完成了X波段10 W四路功率合成放大器的設計、加工和測試，最終實現了10 W連續波信號功率的輸出。同時本文設計也存在放大器體積大以及工作頻段窄等方面的問題，在后續的工作中將逐步實現放大器的小型化、寬帶寬和高功率，并對其他功率合成方法進行探索和研究。