微波寬帶固態高功率合成關鍵技術的探析

滕新友，孫建華，邰戰雄，任業富，王玉柱

（四川九洲空管科技有限責任公司，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，廣泛運用于多個領域。其中，組成微波電路的關鍵部件包括功率合成器和分配器，其功率合成關鍵技術決定了微波系統性能指標的優劣，這種品質體現在系統的通信質量、抗干擾能力等方面。當前，功率放大器件運用比較普遍，市場上主要有電真空器件和固態功率器件兩種，兩種器件具有不同的優缺點：電真空器件體積大、電壓高、可靠性低；固態功率器件體積小、頻帶寬、可靠性高，但受限于半導體材料、工藝等技術，單支固態功率器件輸出功率不高，無法滿足系統功率需求，因此，固態功率合成技術應運而生。

1 固態功率合成技術的使用

功率合成技術是指使用合適的功率合成網絡，將不同的功率源信號進行組合并且輸出疊加，形成疊加信號＞單個輸出信號，功率＞單個功率的現象，該技術出現在20世紀60年代，發展至今已經逐漸形成規模。作為研究的熱點，當前，MMIC的功率放大器在現有的技術支持下很難實現高功率輸出，真空電子器件當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組合放大，實現高功率輸出，得到越來越廣泛的應用。

2 合成技術

2.1 芯片合成

芯片功率合成是將若干個源芯片以串聯或并聯的方式運用在微波單片集成電路設計當中，以金絲鍵合的形式連接輸入輸出匹配電路來實現高功率輸出，該概念在1968年被提出，在芯片上串聯，在熱傳輸路徑上并聯來實現功率合成。在20世紀末，Kohji Matsunaga等人第一次提出MMIC多芯片功率合成技術，當時輸出的功率為3W。芯片技術的合成優勢是體積小且功率高，頻帶寬且電路穩定，但在使用過程中受到合成管芯數量的限制而無法實現高效率傳輸。若在微波高頻段內工作，電路的尺寸就會變小，芯片距離縮小會導致產生的熱量無法高效散出，影響合成效率，甚至導致芯片損害。除了在理論和設計上存在限制，工藝上也存在一定的制作要求。因此在后續的研究中，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

電路合成技術是使用功率合成網絡合成任意一個功放單元，在整合排列之后提高輸出功率。芯片合成技術的應用局限性很大，無法適應高功率輸出的要求。電路合成技術的優勢是組裝調配性能良好、隔離良好。目前最常使用的電路合成技術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絡。在高頻段運用當中，特別是大功率輸出電路中，存在的電路損耗及在內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在高頻段運用當中仍舊存在限制。根據不同的電路形式，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中的作用非常明顯，具備傳輸路徑短和損耗小等優勢，因此合成效率高，但存在頻帶窄和合成器件數目受到模式問題的限制缺陷，且合成電路Q值（品質因素）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定性，從20世紀60年代之后，合成頻帶寬且合成規模技術在現實生活當中的運用越來越普遍，同時也刺激了人們對該技術的需求，但隨著端口數量的不斷增加，技術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80年代提出空間功率合成技術，目前已經被人們所廣泛關注。將多支路功率模塊的輸出功率耦合為空間波束來調整電磁波束，能夠運用在任意空間且在任意空間內實現功率疊加，功率被放大從而滿足實際需要。該技術的優勢在于路徑短、損耗量小、先進性非常明顯，為多路徑合成一路技術。但是體積比較大，制作過程需要投入大量成本，因此該技術并沒有得到廣泛的運用。在實際運用過程中，空間功率合成主要分為兩類：一類是準光功率，另一類是自由空間功率合成，但無論是哪一種，其中的重點都是功率的高效分配與收集[3]。

2.4 混合式技術

在目前，人們更運用混合式功率合成技術來達到需要，混合式就是將幾種合成方式的優勢組合起來合成一種技術的形式，這種技術的優勢在于形成技術互補公用優勢的情況，運用最低的成本實現最高功率的輸出。在當前，人們大都使用芯片式功率合成技術，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。因此芯片為第一級，電路技術為第二級，如有必要則繼續疊加。除了這些方式之外，現實生活當中，常常有介質波導功率合成、推挽電路功率合成等方式，將其運用在一些有特殊需求的場合。

3 固態功率合成的技術的探析

3.1 寬帶

MMIC的帶寬，商用的MMIC芯片帶寬基本上都能夠達到10%。當前，第三代半導體材料的出現，以GaN和SiC為主，第三代半導體材料具備高飽和電子漂移速度、高臨界擊穿電場等優勢，正是這些優勢讓第三代半導體材料廣泛運用在功放芯片的設計制作當中，而GaN的輸出阻抗高、帶寬更大，因此更容易實現匹配設計[4]。

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

3.2 功率的合成效率分析

功率合成/分配網絡、功率放大芯片是決定合成效率的關鍵，其中需要保證功率合成/分配網絡的優良性能，才能夠決定輸送網絡的合成質量。在同功率條件下合成效率越高，就代表輸出功率越高。

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

圖1 功率合成基本原理

而在具體的設計過程中，在理想狀態下合成效率能夠達到100%，實際上要達到這么高的合成效率是不可能的。應該注意：（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到較理想的合成狀態；（2）影響因素有三個，即支路幅相是否達到平衡程度、功放芯片是否全方位一致性、輸出功率；（3）關鍵因素主要是電路損耗[5]。

在設計的過程中一定要考慮這些方面。以N級二進制合成方式來研究具體的運用，當選擇這種方式時，合成器單元損耗限制了合成效率，合成級數越多難度就越大。實際上電路損耗越嚴重，合成效率越低；級數多則效率低。此外，還應考慮幅相一致性的影響，假設存在兩路合成信號，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。因此在設計的時候，應該規避其中的存在的影響因素確保幅相一致。

4 實現與改善合成效率的途徑

基于現實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量，因此使用低損耗的介質材料、控制線路長短；最后，在電路結構設計的整個環節做好規劃設計監督管理，設計之前，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不平衡的情況。在具體的設計過程中，使用傳統Wilkinson功率合成/分配器來研制出分配器，將其進行加工和測試之后，得到了良好的效果。輸出功率的損耗小及端口駐波好，在電路結構條件簡單的情況下能實現高功率電路的設計，使用價值很高。

5 結論

實際上，由于對超寬帶、高功率應用的需求越來越多，固態功率合成領域需要達到超寬帶、高功率的發展目標。在實際的設計過程中，采用微波集成傳輸線路設計而形成的功率合成網絡，在具體的使用過程當中存在一定的缺陷。在這種情況下，很多專業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突破口，制作出新的器件和發展新的理論。