一种新型Ka频段功率合成放大器的设计

王斌 刘立浩 谢小强 汪春霆

(1.中国电子科技集团公司第54研究所，石家庄 050081;2.电子科技大学 电子工程学院，成都 610054)

一种新型Ka频段功率合成放大器的设计

王斌1刘立浩1谢小强2汪春霆1

(1.中国电子科技集团公司第54研究所，石家庄 050081;2.电子科技大学 电子工程学院，成都 610054)

为了提高Ka频段功率放大器的输出功率，设计了一种新型的毫米波波导内空间功率合成放大器．采用魔T功率合成器和波导-微带双探针转换实现的波导内空间功率分配/合成网络,在毫米波频段实现了宽带、低损耗、幅相对称的四路功率合成放大器．该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频段;功率分配/合成器;魔T;插入损耗；功率合成效率

DOI 10.13443/j.cjors.2016081501

引 言

单个器件的输出功率不满足系统要求时,功率合成是一种提高系统输出功率的有效方法．毫米波功率合成逐步由波导耦合微带的链式功率合成[1-2]发展到基于3 dB波导功率分配/合成器和波导-微带转换的二进制波导内空间功率合成．基于波导结构的3 dB功率分配/合成器,如波导E面T型结[3]、波导H面T型结、波导分支线耦合器[4]等,与平面传输线形式的功率分配/合成器相比具有插入损耗小、功率容量大等优点,因而被广泛应用于功率合成放大器中．波导E面T型结、波导H面T型结都是无源三端口网络,分配支路的隔离度只有6 dB左右．波导分支线形式的功率分配/合成器的两分配支路间有较好的隔离度,但是插入损耗和体积较大．有关研究人员参照改进的威尔金森电桥通过在波导T型结两分配支路之间合理地添加一定的阻抗元件改善了波导T型结功率分配/合成器两分配支路间的隔离度[5]．这种改进不仅实现的难度较大,而且也会增大功率分配/合成器的插入损耗,引入的电阻膜片因存在散热问题而承受的功率有限．将传统波导魔T改进成具有共面臂的波导魔T功率分配/合成器[6],改进后的波导魔T通过波导-微带转换将波导功率吸收负载转换到输入输出波导确定的平面内．虽解决了波导魔T四个端口不在同一平面内的问题,但结构体积较大,作为功率分配/合成器应用于一个完整的功率合成模块时,结构较难加工．用波导-微带转换和匹配好的电阻来替代传统波导魔T的波导功率吸收负载[7-8],可以实现结构紧凑、隔离度高、插入损耗小的功率分配/合成器,但波导-微带转换和电阻形式的功率吸收负载限制了隔离端口所承受的功率,使其不宜应用于大功率合成模块中．

本文将传统波导魔T功率分配/合成器进行改进设计,在兼顾其隔离度高、插入损耗小、结构紧凑、承受功率大等优点的同时,将其应用到功率合成模块内．最终实现的四路功率合成模块验证了本文改进设计的可行性．

1 魔T功率分配/合成器

波导T型结功率分配/合成器、波导-微带双探针转换等三端口网络都是无耗互易三端口网络,三个端口不能完全匹配．波导魔T是一个四端口网络,可以看成是波导E面T型结和波导H面T型结的叠加,叠加后形成的四端口网络即保持了两个三端口网络的优点,又避免了三端口网络存在的三个端口不能完全匹配的弊端．可用模式匹配法和叠加原理对波导魔T结构进行理论分析[9]．波导E面T型分支是一种串联分支,多用容性结构来匹配阻抗．另外串联分支引入了阻抗的不连续性,一般可在阻抗不连续处采用波导阶梯变换[10]提高功率分配/合成器工作的带宽．波导宽边的不连续性引入了串联电抗,可采用加载金属圆柱和电容膜片等方式实现波导魔T四个端口的匹配．

采用金属圆柱和金属膜片实现匹配的传统波导魔T,在应用于功率合成模块时不易加工实现．为便于波导魔T的加工和使其能够应用于功率合成模块,本文采用圆柱加圆锥的结构兼顾匹配E面T型分支和H面T型分支,为了拓宽波导魔T的带宽,采用波导阶梯变换匹配波导魔T输入、输出端口间的阻抗,所设计的一种适合应用于功率合成模块的波导魔T功率分配/合成器[11]如图1所示．

用HFSS软件对其进行建模并仿真,仿真结果如图2所示．

图1 魔T功率分配/合成器

(a) 插入损耗

(b) 驻波,隔离度

(c) 相位图2 魔T功率分配/合成器仿真结果

从仿真结果图2(a)中S21和S31曲线可知,波导魔T功率分配/合成器,在22～28 GHz插入损耗小于0.2 dB．图中所示的S24和S34曲线是波导魔T功率分配/合成器H面隔离端口的插入损耗仿真结果．为方便波导魔T功率分配/合成器的加工和适合应用于功率合成模块,隔离端口采用非标的矩形波导,并在该非标矩形波导中加入吸波材料使其作为波导魔T功率分配/合成器的隔离负载端口．

图2(b)所示的S23曲线是波导魔T功率分配/合成器两功率分配支路间的隔离度．由仿真结果可知,其不仅实现了两支路功率的等幅分配,也保证了两功率分配支路具有较好的隔离度．功率分配支路间的隔离度可达30 dB,同波导E面T型结功率分配/合成器相比,支路间的隔离度大幅改善;同波导分支线形式的3 dB功率分配/合成器相比也有10 dB的改善．

图2(c)所示的曲线是波导魔T功率分配/合成器两功率分配支路的相位差,由图中所示26 GHz点两功率分配支路间的相位差可知,两功率分配支路相位相反．当其背靠背应用于功率分配/合成网络时,功率分配器和功率合成器的相位差相互抵消,因此不会影响功率合成效率．

2 功率合成放大器

为进一步验证该功率分配/合成器的性能,在HFSS软件中建立了一个四路功率合成的无源网络模型．首先应用该结构来实现一分二的功率分配,通过设计好的波导-微带双探针转换把波导中的能量耦合到微带线上．在微带线上布置功率单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)芯片,然后经过同样的波导-微带双探针转换把经过功率芯片放大的能量耦合到波导中,然后利用波导魔T功率分配/合成器在波导内实现空间功率合成．建立的四路功率分配/合成网络如图3(a)所示,其中波导魔T功率分配/合成器的隔离负载端口经过波导90°弯角转换到与功率合成模块平行的平面内,目的是方便功率合成模块的加工实现．其性能与图1所示的魔T功率分配/合成器完全相同,实物中魔T功率分配/合成器的隔离负载如图4所示．波导-微带双探针转换是在波导宽边的同一侧开两个矩形窗,分别在两个矩形窗内插入微带探针,为实现两路功率单片的装配,两个微带探针之间要有适当的足够宽的距离．两个微带探针的结构形式完全相同,微带探针距波导短路面的距离决定了波导-微带双探针转换的工作频率,微带探针高低阻抗的变换直接影响转换的驻波和插入损耗．两个微带探针间的距离,微带探针的高低阻抗变换和微带探针距短路面的尺寸可以通过HFSS软件优化得到．用HFSS软件对四路功率分配/合成网络进行仿真,结果如图3(b)所示．

(a) 四路功率分配/合成网络

(b) 四路功率合成网络仿真结果图3 四路功率分配/合成网络及其仿真结果

图4 背靠背四路功率合成网络

图3(b)仿真结果所示,四路功率分配/合成网络的插入损耗小于0.2 dB．波导魔T功率分配支路的隔离度较好,即可以提高功率单片工作的可靠性又改善了四路功率分配/合成网络的输入和输出端口的驻波,仿真结果所示输入端口的回波损耗在22.6～29.2 GHz优于-20 dB．根据该模型实际加工的四路功率合成网络如图4所示,其外形尺寸是长56 mm、宽60 mm、高22 mm．

用矢量网络分析仪对背靠背四路功率合成网络进行了测试,测试结果如图5所示．由测试结果可知,背靠背四路功率合成网络的插入损耗在22～28 GHz范围内约为0.8 dB．其中包含了魔T功率分配/合成器背靠背的损耗,波导-微带双探针转换背靠背的损耗和长约为25 mm微带线的损耗．

图5 四路背靠背功率合成网络测试结果

对功率合成无源网络的测试首先是检查功率合成网络带内的损耗是否满足要求,其次是检查幅频响应是否达到预期的设计指标,最后还要检查功率合成网络的带内是否存在谐振．只有功率合成网络无源测试满足以上三点要求,才能将功率单片安装上去．这样可以保证功率合成放大器研制的成功率,从而达到缩短研制周期、降低研制成本的目的．根据上述四路功率合成网络实际研制的Ka频段功率合成放大器如图6所示．

图6 功率合成放大器

该功率合成放大器采用了TGA4505功率单片,其工作电压为6 V,静态工作点电流为2.1 A,工作频率范围是24～31 GHz,增益典型值是23 dB,饱和输出功率典型值是36 dBm．首先制作了一个单管测试盒,分别测试将要进行四路功率合成的四个功率单片的饱和输出功率．并根据芯片输出微带线的损耗修正其输出功率,最后求出四只功率单片的平均功率,见表1．将这四只功率单片安装在四路功率合成放大器内,调整四只单片的工作电压,使其均工作在测试单管功率时的状态．此时测试该四路功率合成放大器的饱和输出功率,结果见表1．由功率合成效率公式:

计算出各个频点的功率合成效率,结果见表1．

表1 四路功率合成放大器各频点功率合成效率

从表1中的计算结果可以看出: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处功率合成效率略微下降,经分析其原因是该点处四路功率合成网络的插入损耗增大和功率单片输入输出端金丝引入的电感效应随频率升高而变大．对比四路功率合成无源网络插入损耗的测试结果和四路功率合成放大器各频点的功率合成效率可知,该四路功率合成无源网络可以应用到22～29 GHz．因为选用单片工作频率的关系,四路功率合成网络的功率合成效率仅测试了25～29 GHz．由无源网络插入损耗的测试结果可以推知,该四路功率合成网络的相对工作带宽可达27.5%．

3 结 论

本文提出了一种适合应用于功率合成模块的波导魔T功率分配/合成器,设计了一种新型的毫米波波导内空间功率合成放大器．该波导魔T功率分配/合成器具有结构简单、易于加工、方便调节、插入损耗小、隔离度高等优点,并且适合应用于功率合成模块内．该波导魔T功率分配/合成器结合波导-微带双探针转换实现了宽带、低损耗、幅相对称的四路功率合成．在功率合成网络加工完成之后,通过更换如图6所示的用于匹配的圆柱锥结合体还可以调整功率合成模块的工作频率范围,因此相比其他3 dB功率分配/合成器具有一定优势．所以,利用此波导魔T功率分配/合成器实现的四路波导内空间功率合成放大器具有较好的工程应用价值．

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王斌 (1983—),男,山东人,工程师,博士研究生,研究方向为卫星通信技术、微波毫米波技术．

刘立浩 (1978—),男,河北人,高级工程师,硕士,研究方向为卫星通信技术、微波毫米波技术．

谢小强 (1972—),男,四川人,副教授,博士,研究方向为微波毫米波集成电路、微波和毫米波电路与系统．

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

国家863计划项目(2015AA015701)

10.13443/j.cjors.2016081501

TN73

A

1005-0388(2017)01-0039-05

联系人： 王斌 E-mail: wangbin_cetc54@163.com

王斌, 刘立浩, 谢小强, 等. 一种新型Ka频段功率合成放大器的设计[J]. 电波科学学报,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