一種適用于衛星通信發射機的功率合成器設計

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 衛星通信發射機

在Ku頻段衛星通信系統中，發射機實現對射頻信號的功率放大，結合天線增益，使得衛星通信系統的EIRP值達到一定的要求，滿足衛星通信鏈路的使用要求，實現上行鏈路的信號暢通。

早期發射機設計時，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瓦量級。一臺上百瓦的發射機，需要幾十只、上百只管子合成，從而導致合成路數多，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發射機的發展。

隨著GaN芯片技術的進步，越來越多的發射機產品，逐漸使用GaN芯片作為末級功放管使用。目前，國內的GaN功率芯片水平，在Ku頻段單芯片連續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頻段衛星通信中40 W發射機的使用要求，本文設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，采用了減高波導設計。

2 波導微帶轉換設計

波導傳輸線是一種三維立體結構，它的優點是傳輸損耗低、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構，它的優點是體積小、重量經，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。設計一種過渡產品，能夠將電磁波從波導三維立體結構過渡到微帶平面二維結構，或者反之，具有現實意義。通過這種過渡，我們設計電路時，可以充分利用兩種結構的優點，避開它們的缺點。波導微帶轉換電路便可以實現這一功能，下面介紹一種波導微帶轉換電路的設計。

圖1 波導微帶轉換原理圖

波導微帶轉換的原理圖如圖1所示，它由三部分組成：一個波導功分器，兩個波導微帶轉換。波導功分器實現波導功率分配，波導微帶轉換實現波導三維立體結構和平面微帶二維結構之間的轉換。

使用高頻電磁仿真軟件HFSS，建立了一種常規的波導微帶 E面探針轉換結構模型[1]，如圖 2（a）所示。波導選用標準波導WR75的減高設計，長邊尺寸為：19.05 mm，短邊尺寸為：5.525 mm。該模型在波導的 E面中心插入微帶探針[2]，通過調整微帶探針距波導短路面的距離、微帶探針插入的深度、微帶探針的尺寸等參數，優化端口輸入駐波。

圖2 （a）轉換模型

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作為導帶材料。將探針過渡波導的寬度設置為 2.5 mm、高度設置為2 mm；50歐姆微帶線的寬度設置為 0.78 mm。將探針的長度設置為參數 L1、寬度設置為參數 W1，將高阻抗線的長度設置為參數 L2、寬度設置為參數 W2，將探針中心到波導短路面的距離設置為參數 S。

在HFSS中，調整各參數值，優化輸入端口駐波。如圖 2（b）所示，為優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，輸入駐波 S11小于-30 dB。該模型在很寬的范圍內，能夠將電磁波從矩形波導的主模 TE10模過渡到微帶線的準 TEM波。

優化后的各參數值如表 1所示。

表1 參數優化值（單位：mm）

3 波導功分器設計

波導功分器采用波導 E面 T型結實現，該型結構較緊湊[3]，本文只針對無源互易網絡進行考慮，圖3給出了波導 E面T型結的場分布圖。波導E面T型結的特性如下：

（1）當信號由公共端口饋入時，信號由兩側壁等幅反相輸出。

（2）當兩側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E面T型結場分布圖

采用HFSS仿真軟件，建立波導功分器的T型結仿真模型，優化T型結的凸臺參數，得到T型結的初步參數模型。在T型結處添加一個矩形塊，用來補償T型結處的不連續性，通過優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型結的分支波導采用減高波導設計，可以有效的減小功分網絡的體積。

結合前面設計的波導微帶轉換模型，建立波導功分、微帶轉換組合仿真模型，如圖4（a）所示。輸入波導選用標準矩形波導WR-75，標準WR75波導的窄邊尺寸是9.525 mm。設計時分支波導采用減高波導設計，其窄邊尺寸設計為5.525 mm，相比標準波導WR75有效降低窄邊尺寸4 mm，約降低到原尺寸的58%。通過微調 T型結和微帶轉換的各參數值，優化端口輸入駐波。得到的仿真結果如圖4（b）-4（d）所示。

在頻率 12.0 GHz至16.0 GHz的范圍內，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

根據以上仿真模型，設計了一個背靠背的波導微帶功分、波導微帶合成的測試夾具。采用波導 E面中間剖開的結構形式，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，側面的波導口便是標準的WR75波導，便可以測試。

圖5 雙路波導微帶功分合路器實物圖

4 測試分析

搭建測試環境，使用矢量網絡分析儀，進口波導二端口校準，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，輸入端口駐波小于 -30 dB，插損小于 0.30 dB，如圖 6所示。從實測數據中，分析如下：該雙路波導微帶功率合路器是一種寬帶、低差損結構。測試數據和仿真數據進行對比后發現，實測數據和仿真數據較吻合。

圖6 輸入端口駐波和損耗特性

5 結束語

本文設計了一款衛星通信發射機用 Ku頻段雙路波導微帶功率合路器，在頻率13.75 GHz至14.5 GHz范圍內，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。該設計插損低、頻帶寬、尺寸小，在衛星通信發射機中，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，可以實現4路、8路等多路功率合成，有潛在的優化推廣價值。隨著 GaN芯片工藝的進步，結合功率合成，固態發射機的輸出功率、效率可以做得更好，體積可以做得更小。