一種新型Ka頻段功率合成放大器的設(shè)計(jì)

王斌 劉立浩 謝小強(qiáng) 汪春霆

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所，石家莊 050081;2.電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都 610054)

一種新型Ka頻段功率合成放大器的設(shè)計(jì)

王斌1劉立浩1謝小強(qiáng)2汪春霆1

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所，石家莊 050081;2.電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都 610054)

為了提高Ka頻段功率放大器的輸出功率，設(shè)計(jì)了一種新型的毫米波波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成放大器．采用魔T功率合成器和波導(dǎo)-微帶雙探針轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的波導(dǎo)內(nèi)空間功率分配/合成網(wǎng)絡(luò),在毫米波頻段實(shí)現(xiàn)了寬帶、低損耗、幅相對(duì)稱的四路功率合成放大器．該毫米波功率合成放大器的合成效率,在25～29 GHz高于82%,在25～28 GHz高于86%．

Ka頻段;功率分配/合成器;魔T;插入損耗；功率合成效率

DOI 10.13443/j.cjors.2016081501

引 言

單個(gè)器件的輸出功率不滿足系統(tǒng)要求時(shí),功率合成是一種提高系統(tǒng)輸出功率的有效方法．毫米波功率合成逐步由波導(dǎo)耦合微帶的鏈?zhǔn)焦β屎铣蒣1-2]發(fā)展到基于3 dB波導(dǎo)功率分配/合成器和波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成．基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的3 dB功率分配/合成器,如波導(dǎo)E面T型結(jié)[3]、波導(dǎo)H面T型結(jié)、波導(dǎo)分支線耦合器[4]等,與平面?zhèn)鬏斁€形式的功率分配/合成器相比具有插入損耗小、功率容量大等優(yōu)點(diǎn),因而被廣泛應(yīng)用于功率合成放大器中．波導(dǎo)E面T型結(jié)、波導(dǎo)H面T型結(jié)都是無源三端口網(wǎng)絡(luò),分配支路的隔離度只有6 dB左右．波導(dǎo)分支線形式的功率分配/合成器的兩分配支路間有較好的隔離度,但是插入損耗和體積較大．有關(guān)研究人員參照改進(jìn)的威爾金森電橋通過在波導(dǎo)T型結(jié)兩分配支路之間合理地添加一定的阻抗元件改善了波導(dǎo)T型結(jié)功率分配/合成器兩分配支路間的隔離度[5]．這種改進(jìn)不僅實(shí)現(xiàn)的難度較大,而且也會(huì)增大功率分配/合成器的插入損耗,引入的電阻膜片因存在散熱問題而承受的功率有限．將傳統(tǒng)波導(dǎo)魔T改進(jìn)成具有共面臂的波導(dǎo)魔T功率分配/合成器[6],改進(jìn)后的波導(dǎo)魔T通過波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換將波導(dǎo)功率吸收負(fù)載轉(zhuǎn)換到輸入輸出波導(dǎo)確定的平面內(nèi)．雖解決了波導(dǎo)魔T四個(gè)端口不在同一平面內(nèi)的問題,但結(jié)構(gòu)體積較大,作為功率分配/合成器應(yīng)用于一個(gè)完整的功率合成模塊時(shí),結(jié)構(gòu)較難加工．用波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換和匹配好的電阻來替代傳統(tǒng)波導(dǎo)魔T的波導(dǎo)功率吸收負(fù)載[7-8],可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、隔離度高、插入損耗小的功率分配/合成器,但波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換和電阻形式的功率吸收負(fù)載限制了隔離端口所承受的功率,使其不宜應(yīng)用于大功率合成模塊中．

本文將傳統(tǒng)波導(dǎo)魔T功率分配/合成器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),在兼顧其隔離度高、插入損耗小、結(jié)構(gòu)緊湊、承受功率大等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),將其應(yīng)用到功率合成模塊內(nèi)．最終實(shí)現(xiàn)的四路功率合成模塊驗(yàn)證了本文改進(jìn)設(shè)計(jì)的可行性．

1 魔T功率分配/合成器

波導(dǎo)T型結(jié)功率分配/合成器、波導(dǎo)-微帶雙探針轉(zhuǎn)換等三端口網(wǎng)絡(luò)都是無耗互易三端口網(wǎng)絡(luò),三個(gè)端口不能完全匹配．波導(dǎo)魔T是一個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò),可以看成是波導(dǎo)E面T型結(jié)和波導(dǎo)H面T型結(jié)的疊加,疊加后形成的四端口網(wǎng)絡(luò)即保持了兩個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn),又避免了三端口網(wǎng)絡(luò)存在的三個(gè)端口不能完全匹配的弊端．可用模式匹配法和疊加原理對(duì)波導(dǎo)魔T結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析[9]．波導(dǎo)E面T型分支是一種串聯(lián)分支,多用容性結(jié)構(gòu)來匹配阻抗．另外串聯(lián)分支引入了阻抗的不連續(xù)性,一般可在阻抗不連續(xù)處采用波導(dǎo)階梯變換[10]提高功率分配/合成器工作的帶寬．波導(dǎo)寬邊的不連續(xù)性引入了串聯(lián)電抗,可采用加載金屬圓柱和電容膜片等方式實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)魔T四個(gè)端口的匹配．

采用金屬圓柱和金屬膜片實(shí)現(xiàn)匹配的傳統(tǒng)波導(dǎo)魔T,在應(yīng)用于功率合成模塊時(shí)不易加工實(shí)現(xiàn)．為便于波導(dǎo)魔T的加工和使其能夠應(yīng)用于功率合成模塊,本文采用圓柱加圓錐的結(jié)構(gòu)兼顧匹配E面T型分支和H面T型分支,為了拓寬波導(dǎo)魔T的帶寬,采用波導(dǎo)階梯變換匹配波導(dǎo)魔T輸入、輸出端口間的阻抗,所設(shè)計(jì)的一種適合應(yīng)用于功率合成模塊的波導(dǎo)魔T功率分配/合成器[11]如圖1所示．

用HFSS軟件對(duì)其進(jìn)行建模并仿真,仿真結(jié)果如圖2所示．

圖1 魔T功率分配/合成器

(a) 插入損耗

(b) 駐波,隔離度

(c) 相位圖2 魔T功率分配/合成器仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果圖2(a)中S21和S31曲線可知,波導(dǎo)魔T功率分配/合成器,在22～28 GHz插入損耗小于0.2 dB．圖中所示的S24和S34曲線是波導(dǎo)魔T功率分配/合成器H面隔離端口的插入損耗仿真結(jié)果．為方便波導(dǎo)魔T功率分配/合成器的加工和適合應(yīng)用于功率合成模塊,隔離端口采用非標(biāo)的矩形波導(dǎo),并在該非標(biāo)矩形波導(dǎo)中加入吸波材料使其作為波導(dǎo)魔T功率分配/合成器的隔離負(fù)載端口．

圖2(b)所示的S23曲線是波導(dǎo)魔T功率分配/合成器兩功率分配支路間的隔離度．由仿真結(jié)果可知,其不僅實(shí)現(xiàn)了兩支路功率的等幅分配,也保證了兩功率分配支路具有較好的隔離度．功率分配支路間的隔離度可達(dá)30 dB,同波導(dǎo)E面T型結(jié)功率分配/合成器相比,支路間的隔離度大幅改善;同波導(dǎo)分支線形式的3 dB功率分配/合成器相比也有10 dB的改善．

圖2(c)所示的曲線是波導(dǎo)魔T功率分配/合成器兩功率分配支路的相位差,由圖中所示26 GHz點(diǎn)兩功率分配支路間的相位差可知,兩功率分配支路相位相反．當(dāng)其背靠背應(yīng)用于功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)時(shí),功率分配器和功率合成器的相位差相互抵消,因此不會(huì)影響功率合成效率．

2 功率合成放大器

為進(jìn)一步驗(yàn)證該功率分配/合成器的性能,在HFSS軟件中建立了一個(gè)四路功率合成的無源網(wǎng)絡(luò)模型．首先應(yīng)用該結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)一分二的功率分配,通過設(shè)計(jì)好的波導(dǎo)-微帶雙探針轉(zhuǎn)換把波導(dǎo)中的能量耦合到微帶線上．在微帶線上布置功率單片微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)芯片,然后經(jīng)過同樣的波導(dǎo)-微帶雙探針轉(zhuǎn)換把經(jīng)過功率芯片放大的能量耦合到波導(dǎo)中,然后利用波導(dǎo)魔T功率分配/合成器在波導(dǎo)內(nèi)實(shí)現(xiàn)空間功率合成．建立的四路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)如圖3(a)所示,其中波導(dǎo)魔T功率分配/合成器的隔離負(fù)載端口經(jīng)過波導(dǎo)90°彎角轉(zhuǎn)換到與功率合成模塊平行的平面內(nèi),目的是方便功率合成模塊的加工實(shí)現(xiàn)．其性能與圖1所示的魔T功率分配/合成器完全相同,實(shí)物中魔T功率分配/合成器的隔離負(fù)載如圖4所示．波導(dǎo)-微帶雙探針轉(zhuǎn)換是在波導(dǎo)寬邊的同一側(cè)開兩個(gè)矩形窗,分別在兩個(gè)矩形窗內(nèi)插入微帶探針,為實(shí)現(xiàn)兩路功率單片的裝配,兩個(gè)微帶探針之間要有適當(dāng)?shù)淖銐驅(qū)挼木嚯x．兩個(gè)微帶探針的結(jié)構(gòu)形式完全相同,微帶探針距波導(dǎo)短路面的距離決定了波導(dǎo)-微帶雙探針轉(zhuǎn)換的工作頻率,微帶探針高低阻抗的變換直接影響轉(zhuǎn)換的駐波和插入損耗．兩個(gè)微帶探針間的距離,微帶探針的高低阻抗變換和微帶探針距短路面的尺寸可以通過HFSS軟件優(yōu)化得到．用HFSS軟件對(duì)四路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖3(b)所示．

(a) 四路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)

(b) 四路功率合成網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果圖3 四路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)及其仿真結(jié)果

圖4 背靠背四路功率合成網(wǎng)絡(luò)

圖3(b)仿真結(jié)果所示,四路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的插入損耗小于0.2 dB．波導(dǎo)魔T功率分配支路的隔離度較好,即可以提高功率單片工作的可靠性又改善了四路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出端口的駐波,仿真結(jié)果所示輸入端口的回波損耗在22.6～29.2 GHz優(yōu)于-20 dB．根據(jù)該模型實(shí)際加工的四路功率合成網(wǎng)絡(luò)如圖4所示,其外形尺寸是長56 mm、寬60 mm、高22 mm．

用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)背靠背四路功率合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖5所示．由測(cè)試結(jié)果可知,背靠背四路功率合成網(wǎng)絡(luò)的插入損耗在22～28 GHz范圍內(nèi)約為0.8 dB．其中包含了魔T功率分配/合成器背靠背的損耗,波導(dǎo)-微帶雙探針轉(zhuǎn)換背靠背的損耗和長約為25 mm微帶線的損耗．

圖5 四路背靠背功率合成網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果

對(duì)功率合成無源網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試首先是檢查功率合成網(wǎng)絡(luò)帶內(nèi)的損耗是否滿足要求,其次是檢查幅頻響應(yīng)是否達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo),最后還要檢查功率合成網(wǎng)絡(luò)的帶內(nèi)是否存在諧振．只有功率合成網(wǎng)絡(luò)無源測(cè)試滿足以上三點(diǎn)要求,才能將功率單片安裝上去．這樣可以保證功率合成放大器研制的成功率,從而達(dá)到縮短研制周期、降低研制成本的目的．根據(jù)上述四路功率合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)際研制的Ka頻段功率合成放大器如圖6所示．

圖6 功率合成放大器

該功率合成放大器采用了TGA4505功率單片,其工作電壓為6 V,靜態(tài)工作點(diǎn)電流為2.1 A,工作頻率范圍是24～31 GHz,增益典型值是23 dB,飽和輸出功率典型值是36 dBm．首先制作了一個(gè)單管測(cè)試盒,分別測(cè)試將要進(jìn)行四路功率合成的四個(gè)功率單片的飽和輸出功率．并根據(jù)芯片輸出微帶線的損耗修正其輸出功率,最后求出四只功率單片的平均功率,見表1．將這四只功率單片安裝在四路功率合成放大器內(nèi),調(diào)整四只單片的工作電壓,使其均工作在測(cè)試單管功率時(shí)的狀態(tài)．此時(shí)測(cè)試該四路功率合成放大器的飽和輸出功率,結(jié)果見表1．由功率合成效率公式:

計(jì)算出各個(gè)頻點(diǎn)的功率合成效率,結(jié)果見表1．

表1 四路功率合成放大器各頻點(diǎn)功率合成效率

從表1中的計(jì)算結(jié)果可以看出:在25～29 GHz功率合成效率大于82%;在25～28 GHz功率合成效率大于86%．在29 GHz處功率合成效率略微下降,經(jīng)分析其原因是該點(diǎn)處四路功率合成網(wǎng)絡(luò)的插入損耗增大和功率單片輸入輸出端金絲引入的電感效應(yīng)隨頻率升高而變大．對(duì)比四路功率合成無源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的測(cè)試結(jié)果和四路功率合成放大器各頻點(diǎn)的功率合成效率可知,該四路功率合成無源網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用到22～29 GHz．因?yàn)檫x用單片工作頻率的關(guān)系,四路功率合成網(wǎng)絡(luò)的功率合成效率僅測(cè)試了25～29 GHz．由無源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的測(cè)試結(jié)果可以推知,該四路功率合成網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)工作帶寬可達(dá)27.5%．

3 結(jié) 論

本文提出了一種適合應(yīng)用于功率合成模塊的波導(dǎo)魔T功率分配/合成器,設(shè)計(jì)了一種新型的毫米波波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成放大器．該波導(dǎo)魔T功率分配/合成器具有結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、方便調(diào)節(jié)、插入損耗小、隔離度高等優(yōu)點(diǎn),并且適合應(yīng)用于功率合成模塊內(nèi)．該波導(dǎo)魔T功率分配/合成器結(jié)合波導(dǎo)-微帶雙探針轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了寬帶、低損耗、幅相對(duì)稱的四路功率合成．在功率合成網(wǎng)絡(luò)加工完成之后,通過更換如圖6所示的用于匹配的圓柱錐結(jié)合體還可以調(diào)整功率合成模塊的工作頻率范圍,因此相比其他3 dB功率分配/合成器具有一定優(yōu)勢(shì)．所以,利用此波導(dǎo)魔T功率分配/合成器實(shí)現(xiàn)的四路波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成放大器具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值．

[1] JIANG X, ORTIZ S C, MORTAZAWI A. A Ka-band power amplifier based on the traveling-wave power-dividing/combining slotted-waveguide circuit [J]. IEEE transactions on microwave theory techniques, 2004, 52(2): 633-639.

[2] LI L A, HILLIARD B J, SHAFER J R, et al. A planar compatible traveling-wave waveguide-based power divider/combiner[J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques, 2008, 56(8): 1899-1908.

[3] 趙晨曦, 謝小強(qiáng), 徐銳敏. 毫米波10W空間功率合成放大器研制[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào), 2008, 27 (6): 433-436.

ZHAO C X, XIE X Q, XU R M. Study on a 10w millimeter-wave power amplifier based on spatial combination structure[J]. Journal of infrared and millimeter waves, 2008, 27(6): 433-436.(in Chinese)

[4] 謝小強(qiáng), 劉曉, 徐銳敏. Ka波段25W固態(tài)功率合成放大器[J]. 紅外與毫米波學(xué)報(bào), 2011, 30(4): 347-349.

XIE X Q, LIU X, XU R M. 25 W solid state power combining amplifier in Ka-band[J]. Journal of infrared and millimeter waves, 2011, 30(4): 347-349.(in Chinese)

[5] EPP LW, HOPPE D J, KHAN A R, et al. A high-power-band(31-36 GHz) solid-state amplifier based on low-loss corporate waveguide combining[J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques, 2008, 56(8): 1899-1908.

[6] CHU Q X, WU Q S, MO D Y. A Ka-band E-plane waveguide magic-T with coplanar arms[J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques, 2014, 62(11): 2673-2679.

[7] XU Z B, XU J, CUI Y J, et al. A novel rectangular waveguide T-junction for power combining application[J]. IEEE microwave and wireless components letters, 2015, 25(8): 529-531.

[8] 王鵬飛, 楊懿, 田兵. 一種新型E面集成波導(dǎo)魔T的設(shè)計(jì)[J]. 無線電工程, 2013, 43(8): 47-50.

WANG P F, YANG Y, TIAN B. Design of new E-plane integrated waveguide magic T[J]. Radio engineering of China, 2013, 43(8): 47-50.(in Chinese)

[9] SIEVERDING T, ARNDTF. Modal analysis of the magic tee[J]. IEEE microwave and guided wave letters, 1993, 3(5): 150-152.

[10]江肖力, 王斌. Ka頻段T型波導(dǎo)功率合成器的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]. 無線電工程, 2009, 39(3): 41-43.

JIANG X L, WANG B. Improvement and design of Ka-band T-junction waveguide power combiner[J]. Radio engineering of China, 2009, 39(3): 41-43.(in Chinese)

[11]王斌. 一種新型Ka頻段功率合成器的設(shè)計(jì)[J]. 無線電工程, 2009, 39(10): 32-35.

WANG B. Design of a novel power combiner in Ka-band[J]. Radio engineering of China, 2009, 39(10): 32-35.(in Chinese)

王斌 (1983—),男,山東人,工程師,博士研究生,研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信技術(shù)、微波毫米波技術(shù)．

劉立浩 (1978—),男,河北人,高級(jí)工程師,碩士,研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信技術(shù)、微波毫米波技術(shù)．

謝小強(qiáng) (1972—),男,四川人,副教授,博士,研究方向?yàn)槲⒉ê撩撞呻娐贰⑽⒉ê秃撩撞娐放c系統(tǒng)．

Design of a novel power combining amplifier in Ka-band

WANG Bin1LIU lihao1XIE Xiaoqiang2WANG Chunting1

(1.The54thResearchInstituteofCECT,Shijiazhuang050081,China；2.SchoolofElectronicEngineering,UniversityofElectricScienceandTechnologyofChina,Chengdu610054,China)

In order to improve the output power of Ka band power amplifier, this paper presents a novel waveguide-based spatial power combing amplifier at millimeter-wave frequency. A magic T-power combiner and a waveguide-microstrip transfer are adopted in the waveguide spatial power dividing/combining network. And a four-way broadband low loss symmetrical power combining is achieved at millimeter-wave frequency. In the millimeter-wave power combining amplifier, the corresponding power combining efficiency is more than 82% in 25-29GHz, and more than 86% in 25-28GHz.

Ka-band; power divider/combiner; magic T; insertion loss; power combining efficiency

2016-08-15

國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2015AA015701)

10.13443/j.cjors.2016081501

TN73

A

1005-0388(2017)01-0039-05

聯(lián)系人： 王斌 E-mail: wangbin_cetc54@163.com

王斌, 劉立浩, 謝小強(qiáng), 等. 一種新型Ka頻段功率合成放大器的設(shè)計(jì)[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2017,32(1):39-43.

WANG B, LIU L H, XIE X Q, et al. Design of a novel power combining amplifier in Ka-band[J]. Chinese journal of radio science,2017,32(1):39-43. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2016081501