李 碩，周文碩

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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EHF頻段10 W連續(xù)波空間功率合成放大器

李 碩，周文碩

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對(duì)EHF頻段衛(wèi)星通信對(duì)固態(tài)高功率需求問題，提出一種空間功率合成放大器的設(shè)計(jì)方案，基于BJ400標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的波導(dǎo)T型結(jié)功率分配/合成器、H面波導(dǎo)3 dB分支線電橋和波導(dǎo)-微帶探針變換相結(jié)合的合成高效、結(jié)構(gòu)緊密的空間功率合成。借助三維電磁仿真軟件HFSS對(duì)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真優(yōu)化，依托精密的機(jī)械加工技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了8路功率合成。驅(qū)動(dòng)功放和末級(jí)功放均采用GaAs MMIC功放芯片，實(shí)現(xiàn)最小10 W的連續(xù)波功率輸出。測(cè)試結(jié)果表明，在EHF頻段43～45 GHz范圍內(nèi)，1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率最小達(dá)到10 W，合成效率高于80%，在該頻段上實(shí)現(xiàn)了高效率合成和大功率輸出。此方案的結(jié)構(gòu)具有尺寸容差大、易于制造和方便散熱的特點(diǎn)，在工程應(yīng)用中有很大的前景。

EHF頻段；波導(dǎo)電橋；波導(dǎo)微帶過(guò)渡；空間功率合成；連續(xù)波

0 引言

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展，業(yè)務(wù)需求量的增加,無(wú)線電頻譜資源越來(lái)越緊張。目前多數(shù)衛(wèi)星使用C頻段和Ku頻段，部分使用Ka頻段[1]。EHF頻段作為下一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用頻段，具有抗核輻射的重要特點(diǎn)。目前國(guó)外的EHF頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)已進(jìn)入了實(shí)用階段。

大功率放大器是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的核心部件,功率輸出的大小直接決定了通信距離、抗干擾能力以及通信質(zhì)量。相對(duì)于電真空功放，固態(tài)功放具有可靠性高、尺寸小、使用電壓低和無(wú)需預(yù)熱等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的使用[2]。但是在毫米波頻段，單個(gè)固態(tài)功放元器件的輸出功率有限，需要采用功率合成技術(shù)來(lái)獲得更大的輸出功率。傳統(tǒng)的電路合成技術(shù)采用威爾金森電橋、微帶分支線電橋和Lange耦合器等功率分配/合成網(wǎng)路，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、工程上廣泛應(yīng)用[3]，但是在毫米波頻段電路合成損耗大，這些技術(shù)主要用于芯片級(jí)的功率合成，且合成效率隨功分/合成網(wǎng)絡(luò)級(jí)數(shù)的增多顯著下降，因而限制了固態(tài)功放器件的數(shù)量，無(wú)法滿足高效率與大功率二者兼顧的要求。

空間功率合成技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)在于功率合成效率高，特別是越多功放器件合成大功率，兼顧高效和大功率，例如準(zhǔn)光合成以及波導(dǎo)裂縫陣等[4]。但是準(zhǔn)光合成以及波導(dǎo)裂縫陣結(jié)構(gòu)缺陷使它們?cè)谏徇@個(gè)重要性能上有很大不足，難以應(yīng)用于大功率連續(xù)波輸出場(chǎng)合。本文提出的波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成方案，在EHF頻段上實(shí)現(xiàn)高效合成效率，易于散熱的特點(diǎn)可應(yīng)用于連續(xù)波場(chǎng)合，其設(shè)計(jì)思路亦可應(yīng)用于其他毫米波頻段的功率合成電路設(shè)計(jì)中。

1 EHF頻段功率合成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

EHF頻段10 W功率放大器組成如圖1所示。本文提出一種結(jié)構(gòu)緊湊的8路功率合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)EHF頻段上大于10 W連續(xù)波功率輸出，從圖1中可以看出，采用外部H面波導(dǎo)T型結(jié)功分/合成器與2個(gè)4路功率合成模塊相結(jié)合。這種合成方案優(yōu)點(diǎn)是4路功率合成模塊合成效率高、體積??；4路功率合成模塊通過(guò)測(cè)試與電路調(diào)試，確保功放模塊的幅度和相位相近，才能進(jìn)行最終的功率合成；其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊分解，可維護(hù)性強(qiáng)。本文方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，且符合模塊化設(shè)計(jì)要求。

圖1 EHF頻段10 W功率放大器組成

1.2 4路功率合成模塊的設(shè)計(jì)

圖2 4路功率合成模塊結(jié)構(gòu)

4路功率合成模塊結(jié)構(gòu)采用了H面波導(dǎo)3 dB分支線電橋、E面波導(dǎo)T型結(jié)功率分配/合成器和波導(dǎo)-微帶探針變換相結(jié)合的方式。如圖2所示，合成模塊可分解以下幾個(gè)部分：① H面波導(dǎo)3 dB分支線電橋，由此實(shí)現(xiàn)信號(hào)的2路等幅相位正交的輸出；② 上下2層E面波導(dǎo)T型結(jié)2路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了4路信號(hào)分離進(jìn)入功放芯片進(jìn)行放大，再進(jìn)行兩兩合成；③ 是H面波導(dǎo)3 dB分支線電橋，由此實(shí)現(xiàn)上下兩T型結(jié)輸出功率的合成。該結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):首先克服雙層探針結(jié)構(gòu)在同一空間內(nèi)功放芯片的互相影響，降低功放芯片工作的不穩(wěn)定性；其次，波導(dǎo)3 dB分支線電橋具備端口隔離度，使得上下2部分的其一損壞，不會(huì)影響或者損壞另一部分；最后，這種多層立體型結(jié)構(gòu)縮小了電路的體積，實(shí)現(xiàn)了模塊小型化，減小了電路損耗，從而增加了整個(gè)電路的可靠性。

1.2.1 H面波導(dǎo)3 dB電橋的原理及仿真

文獻(xiàn)[5]提出了一種寬帶H面電橋的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)緊湊并具有良好隔離度和正交等幅功率分配/合成特性。本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)EHF波段H面波導(dǎo)3 dB分支線電橋。該結(jié)構(gòu)運(yùn)用高次模耦合，采用H面波導(dǎo)膜片來(lái)改變耦合窗位置的寬邊尺寸，以匹配標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)中傳輸?shù)闹髂?，進(jìn)而改變高次模的特性阻抗，從而實(shí)現(xiàn)二者阻抗匹配。該結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、工作頻帶較寬、插入損耗低、隔離度高和體積小等特點(diǎn)，故非常適合工程應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)在HFSS中建模仿真，在42～46 GHz內(nèi)各個(gè)端口的回波損耗大于20 dB，輸出端口的幅度相差小于0.2 dB，隔離度大于20 dB，完全滿足功率合成要求。

1.2.2 E面波導(dǎo)T型結(jié)結(jié)合波導(dǎo)微帶探針過(guò)渡

波導(dǎo)E面T型結(jié)功分/合成器具有體積小、易加工和容差好等特點(diǎn)[6]，被廣泛應(yīng)用于功率分配與合成中。

波導(dǎo)E面T型結(jié)是在主波導(dǎo)寬邊面上進(jìn)行分支，從其等效電路看，波導(dǎo)寬邊的不連續(xù)面將引入一個(gè)串聯(lián)電抗[7]。通常的匹配方法是加入一個(gè)相反特性的電抗元件來(lái)補(bǔ)償波導(dǎo)不連續(xù)性帶來(lái)的電抗[8]。為了適合工程應(yīng)用，最好是可以一體化加工的緊湊結(jié)構(gòu)，因此在主波導(dǎo)中加入一個(gè)電容性的臺(tái)階匹配，其高度和寬度影響中心頻率和帶寬。

波導(dǎo)-微帶探針變換[9]相比波導(dǎo)同軸探針[10]有結(jié)構(gòu)緊湊、容差好等特點(diǎn)，因而在毫米波電路中廣泛應(yīng)用。和微帶天線一樣，只要保證微帶與電場(chǎng)平行即可以激勵(lì)出電流，其中伸入波導(dǎo)內(nèi)的微帶探針長(zhǎng)度與中心頻率相關(guān)，寬度則影響工作帶寬，微帶探針后的阻抗變換部分可以擴(kuò)展變換結(jié)構(gòu)的工作帶寬，微帶探針中心到波導(dǎo)短路面距離約為1/4波導(dǎo)波長(zhǎng)，這樣可以保證在微帶探針位置的電場(chǎng)最強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)探針最強(qiáng)的能量耦合[11]。

基于以上分析，在HFSS中建立的波導(dǎo)E面T型結(jié)功分/合成器與波導(dǎo)微帶探針變換結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)建模優(yōu)化，在42～46 GHz頻率范圍內(nèi)，端口的回波損耗大于20 dB，插入損耗小于0.4 dB。該結(jié)構(gòu)適用于EHF頻段分配/合成網(wǎng)絡(luò)。

1.2.3 4路功率合成模塊的整體結(jié)構(gòu)仿真分析

綜合上述內(nèi)容，將H面3 dB電橋結(jié)合E面T型結(jié)、波導(dǎo)探針過(guò)渡，構(gòu)成4路功率合成無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，在電磁仿真軟件HFSS建模如圖3所示。仿真優(yōu)化后，并且加工制作。其仿真結(jié)果與無(wú)源實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4所示。仿真結(jié)果顯示，該無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的在工作頻帶范圍內(nèi)，回波損耗大于20 dB，插入損耗小于0.4 dB。雖然實(shí)測(cè)結(jié)果比仿真結(jié)果惡化，但是可以滿足工程應(yīng)用的需求。造成惡化的主要原因來(lái)于加工精度與毫米波微組裝的誤差，以及仿真建模的誤差。

圖3 4路功率合成無(wú)源網(wǎng)絡(luò)模型

圖4 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

1.3 H面波導(dǎo)T型結(jié)分配/合成器設(shè)計(jì)

1.3.1 H面波導(dǎo)T型結(jié)分配/合成器原理

H面波導(dǎo)T型結(jié)是在主波導(dǎo)窄邊面上的進(jìn)行分支，其軸線平行于主波導(dǎo)主模TE10的磁場(chǎng)方向，從其結(jié)構(gòu)與等效電路結(jié)合看，波導(dǎo)H面T型結(jié)分支線相當(dāng)于并聯(lián)于主波導(dǎo)的分支線。

當(dāng)信號(hào)從主端口進(jìn)入時(shí)，等功率分給2個(gè)輸出端口，兩端口輸出等幅同相的TE10波；同理，當(dāng)在2個(gè)分路端口同相激勵(lì)時(shí)，主端口的合成輸出最大，而當(dāng)兩個(gè)分路端口反相激勵(lì)時(shí)，主端口將無(wú)輸出。H面波導(dǎo)T型結(jié)的散射矩陣為：

(1)

可以采用與E面波導(dǎo)T型結(jié)功分/合成器類似的匹配方法，在主波導(dǎo)中加入一個(gè)感性膜片即可，如果工作帶寬不夠，同樣在主波導(dǎo)與分路波導(dǎo)之間中加入2個(gè)對(duì)稱的感性膜片做輔助匹配，以拓展帶寬。

1.3.2 H面波導(dǎo)T型結(jié)分配/合成器仿真

按照上一節(jié)的分析，在HFSS中建立的H面波導(dǎo)T型結(jié)功分/合成器模型和優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 H面波導(dǎo)T型結(jié)分配/合成器模型

圖6 H面波導(dǎo)T型結(jié)分配/合成器仿真結(jié)果

其中，分支波導(dǎo)中間感性膜片的長(zhǎng)度和厚度主要影響中心頻率，主波導(dǎo)的對(duì)稱電感膜片用于擴(kuò)展帶寬，起到輔助匹配的作用。從仿真結(jié)果圖可以看出在42～46 GHz頻率范圍內(nèi)，輸入端口的回波損耗大于25 dB，2個(gè)輸出端口的幅度不平衡度小于0.2 dB，該結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于工程實(shí)際。

2 EHF頻段10 W功率放大器的實(shí)現(xiàn)

2.1 有源放大部分設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文中MMIC功放芯片采用NC11210C-4045，其增益為17 dB，1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率大于32 dBm，供電電壓典型值分別為-0.6 V/6 V，靜態(tài)電流2 A，飽和輸出功率電流為3 A。驅(qū)動(dòng)功放采用的是NC11208C-4045和NC11210C-4045，NC11208C-4045提供增益，NC11210C-4045提供功率驅(qū)動(dòng)8片NC11210C-4045，提供大功率輸出。由于采用的MMIC功放芯片為耗盡型，需要對(duì)溝道進(jìn)行預(yù)夾斷，因而設(shè)計(jì)一種時(shí)序保護(hù)電路來(lái)對(duì)功放供電，加電時(shí)，保證加上柵壓，再加漏壓；斷電時(shí)，先斷漏壓，再斷柵壓。

單路之間的幅相一致性大大影響功率合成效率，本方案中雖然采用一個(gè)批次MMIC芯片，其本身的幅度相位一致性高，但是為了盡可能提高合成效率，必須保證機(jī)械加工的高精度，同時(shí)芯片微組裝輸入輸出金絲的一致性要好，也要注意微帶探針的安裝要很高的一致性。根據(jù)文獻(xiàn)[12]研究，兩合成信號(hào)的相位差小于15°，基本不影響合成的功率；如果相位差超過(guò)30°，那么對(duì)合成的功率有大的影響。所以在使用4路功率合成模塊與H面波導(dǎo)T型結(jié)功分/合成器做最終大功率合成輸出時(shí)[13]，一定保證2個(gè)四路功率合成模塊的輸出相位差小于30°。

2.2 實(shí)測(cè)結(jié)果

將加工的EHF頻段無(wú)源合成網(wǎng)絡(luò)與MMIC功放芯片組裝到一起，得到功放實(shí)物如圖7所示，體積為120 mm×80 mm×30 mm。該功放的1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率測(cè)試在高中低3個(gè)頻率上，實(shí)測(cè)結(jié)果為：在43 GHz上，得到40.2 dBm的輸出功率；在44 GHz上，得到40.2 dBm的輸出功率；在45 GHz上，得到40.1 dBm輸出功率。在中心頻率44 GHz，1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率回退3 dB，三階交調(diào)實(shí)測(cè)值為-23 dBc。從實(shí)測(cè)結(jié)果可以估計(jì)該功率放大器的合成效率[14-15]，在45 GHz的最小功率輸出時(shí)，其合成效率為81.2%。

圖7 EHF頻段10 W功率放大器實(shí)物

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種結(jié)構(gòu)新穎的EHF頻段8路功率合成方案，研制了一個(gè)高效、大功率的功率放大器，有助于EHF頻段衛(wèi)通通信技術(shù)的發(fā)展。EHF頻段功率放大器具有體積小、重量輕、可靠性高、加工調(diào)試方便和一致性好的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，該功率放大器在43～45 GHz范圍內(nèi)，最小的1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率大于10 W，合成效率最小為81%，在1 dB壓縮點(diǎn)回退3 dB處的三階交調(diào)為-23 dBc。測(cè)試結(jié)果表明，該功率放大器達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平，將在EHF頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。

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李 碩 男，(1982—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：微波毫米波技術(shù)。

周文碩 女，(1987—)，助理工程師。主要研究方向：通信系統(tǒng)。

Design of an EHF-band 10 W CW Spatial Power Combining Amplifier

LI Shuo,ZHOU Wen-shuo

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

For the requirement of high-power solid-state amplifier in satellite communication,this paper presents an EHF band spatially power combined amplifier.It is a compact high-efficiency spatial power combining system based on WR22 waveguide T-junction power divider/combiner,waveguide hybrid and waveguide micro-strip probe transition.The proposed passive structure is simulated and optimized by 3D field EM software HFSS.Using precision machining process,an 8-way power combining structure is achieved.The GaAs MMICs are used in both driver amplifier and final amplifier,which implement at least 10 W CW power output.The test results show that the output power of at least 10 W at the 1 dB compressed point can be achieved with high efficiency of more than 80% in EHF band of 43～45 GHz.The design has advantages of large tolerance,ease of manufacture,good heat dissipation and so on,and has broad prospects in engineering application.

EHF band;waveguide hybrid;waveguide micro-strip transition;spatial power combining;CW

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.12.19

李 碩，周文碩.EHF頻段10 W連續(xù)波空間功率合成放大器[J].無(wú)線電工程,2016,46(12):78-82.

2016-08-12

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目。

TN713.5

A

1003-3106(2016)12-0078-05