Ku頻段寬帶功率合成放大器設(shè)計(jì)

黨　章

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

Ku頻段寬帶功率合成放大器設(shè)計(jì)

黨章

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

摘要在常用的微帶兩分支線電橋理論基礎(chǔ)上，通過類似的奇偶模分析法對具備更寬工作頻帶的微帶三分支線電橋進(jìn)行了理論推導(dǎo)，得到了滿足3 dB耦合條件時(shí)的各分支線特性阻抗計(jì)算公式。借助3D電磁場仿真軟件HFSS，對理論計(jì)算初值進(jìn)行了仿真優(yōu)化，最終得到工作帶寬可覆蓋整個(gè)Ku頻段(12～18 GHz)的微帶三分支線3 dB電橋。采用該3 dB電橋背靠背地將2只功放管合成，在13～17 GHz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了輸出功率高于35 W的寬帶功率合成放大器。

關(guān)鍵詞Ku頻段；微帶分支線電橋；寬帶；功率合成；放大器

Broadband Power Combining Amplifier Design in Ku-band

DANG Zhang

(SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology,ChengduSichuan610036,China)

AbstractMicrostrip 90°hybrid ring with three branches,which has wider operating band,is analyzed through even and odd mode method based on normal double-branch bridge,and the formula of each branch's characteristic impedance with hybrid ring 3 dB couplingis derived.The final 90°hybrid ring circuit,which can operate within the whole Ku-band(12~18 GHz),is simulated and optimized by using 3D electromagnetic simulation software HFSS.A broadband power combining amplifier,which has more than 35 W saturated output power covering 13~17 GHz,is designed by using two power MMICs and the final 90°hybrid ring circuits backtoback.

Key wordsKu-band;microstrip 90° hybrid ring;broadband;power combining;amplifier

0引言

功率合成中常用的電路形式包括：雙定向3 dB耦合器[1]、lange電橋、威爾金森功分/合成器以及3 dB分支線電橋等。

Lange電橋[2]具有超寬帶、小尺寸等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于芯片級功率合成領(lǐng)域。高頻電路中，由于Lange電橋的耦合線寬很窄，通常都是采用薄膜工藝來制作。但受限于工藝，Lange電橋耦合指間的電連接不太容易通過空氣橋/介質(zhì)橋?qū)崿F(xiàn)，多數(shù)工程應(yīng)用中采用手工金絲鍵合，帶來了電路的性能惡化與指標(biāo)離散。

威爾金森功分/合成器[3,4]具有結(jié)構(gòu)簡單、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，通過多級阻抗變換可實(shí)現(xiàn)更寬的工作帶寬。采用薄膜工藝整體制作的威爾金森功分/合成器，受限于薄膜電阻的功率能力而難以用于大功率合成。外接隔離電阻時(shí)，隨著工作頻率升高，電阻的封裝與裝配將會(huì)給電路的性能與一致性帶來很大影響，實(shí)際使用時(shí)通常需要長時(shí)間的調(diào)試。

分支線電橋[5]電路形式簡單，常規(guī)印制板工藝即可制作，因此可以與系統(tǒng)中的其它微帶電路整版加工與安裝。此外，通過選取不同功率能力的吸收端負(fù)載，即可滿足不同功率應(yīng)用場合，且對電路整體性能影響很小。常用的兩分支電橋相對工作帶寬有限(典型5%～8%)，可通過擴(kuò)展分支線數(shù)量來擴(kuò)寬工作頻帶。

介紹了一種三分支線電橋，并通過理論分析得到3 dB耦合時(shí)的計(jì)算公式。借助公式計(jì)算與軟件優(yōu)化仿真，設(shè)計(jì)并制作出了工作頻帶可覆蓋12~18 GHz的寬帶3 dB微帶三分支線電橋。最終，采用該3 dB電橋?qū)崿F(xiàn)了2只20 W單管的合成。

1三分支線電橋理論分析

三分支線電橋[6]為四端口器件，具有優(yōu)良的端口駐波特性，其中的直通端與耦合端除了具備較好的隔離度外，相比隔離端還有很好的方向性。與二分支電橋分析方法類似，將三分支線電橋等效于如圖1中所示的歸一化導(dǎo)納網(wǎng)絡(luò)。

圖1　三分支線電橋等效模型

把網(wǎng)絡(luò)中各級單元通過奇偶模分析法獲得的矩陣級聯(lián)，最后得到導(dǎo)納網(wǎng)絡(luò)的總奇偶模矩陣為：

(1)

在理想方向性與端口無反射條件下，必將滿足(a+b)-(c+d)=0。從電橋網(wǎng)絡(luò)矩陣可發(fā)現(xiàn)a=d，故應(yīng)有b=c。因此，通過總奇偶模矩陣可計(jì)算得到滿足理想方向性和無反射時(shí)的各臂特性導(dǎo)納間的關(guān)系：

(2)

借鑒二分支電橋網(wǎng)絡(luò)的端口電壓波分析結(jié)論，可得到三分支線電橋的耦合端口耦合度計(jì)算公式為：

(3)

2Ku頻段三分支電橋仿真設(shè)計(jì)

通過上節(jié)推導(dǎo)出的公式可輕易計(jì)算出50Ω傳輸系統(tǒng)中三分支線電橋各支節(jié)線的特性阻抗，并映射成傳輸線的物理參數(shù)。上述參數(shù)只是針對中心頻率在理想情況下求出的，若要使電橋在一定的工作頻帶內(nèi)滿足相應(yīng)指標(biāo)，還需要借助仿真軟件對上述初始值進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)實(shí)際使用情況，選擇微帶線結(jié)構(gòu)，介質(zhì)基板選用Rogers公司的RT/duroid5880，介電常數(shù)2.2，厚度10mil。本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是Ku頻段，并保證盡量寬的工作頻帶用于滿足不同工程應(yīng)用，因此選取15GHz為中心頻率。對應(yīng)各支節(jié)線的初始特性阻抗與物理參數(shù)如表1所示。

表1　初始參數(shù)

按表1參數(shù)在HFSS中建立的電路仿真模型如圖2所示。參數(shù)優(yōu)化時(shí)，除了盡量保證12～18 GHz頻帶內(nèi)直通端與耦合端幅度一致，還需要將輸入端回波壓低。優(yōu)化過后的三分支線電橋直通端與耦合端傳輸參數(shù)仿真曲線如圖3所示，直通端與耦合端隔離度，以及輸入端回波系數(shù)如圖4所示。

圖2　微帶三分支線電橋模型

圖3　電橋傳輸參數(shù)仿真

圖4　電橋反射與隔離參數(shù)仿真

從仿真優(yōu)化結(jié)果可知，三分支線電橋相比二分支可大幅度擴(kuò)展工作頻帶，將相對工作帶寬提高至了40%以上。

3實(shí)物測試

3.1　Ku頻段三分支電橋測試

Ku頻段三分支線電橋電路版圖由仿真優(yōu)化結(jié)果直接導(dǎo)出并制作。將加工完成的電路基片通過鉛錫焊料焊接至測試臺上，隔離端口與50 Ω匹配負(fù)載金絲鍵合，其余3個(gè)端口均與K接頭連接。測試電路如圖5所示，測試結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖5　Ku頻段三分支線電橋測試

圖6　電橋傳輸參數(shù)實(shí)測

圖7　電橋反射與隔離參數(shù)實(shí)測

實(shí)測結(jié)果表明，12～18 GHz頻帶內(nèi)直通端與耦合端的幅度差≤0.8 dB，隔離度≥19 dB，輸入端口回波系數(shù)≤-17 d。與仿真結(jié)果相比，實(shí)測的耦合與直通參數(shù)略向頻率低端偏移，隔離度與仿真較為一致，反射系數(shù)由于接頭與匹配負(fù)載的誤差有一定的惡化?？傮w而言，實(shí)物測試與仿真結(jié)果具有較好的一致性。

3.2　Ku頻段合成放大器測試

將上述的3 dB電橋背靠背使用即構(gòu)成了2路的功率合成電路[7-9]。本設(shè)計(jì)采用2片工作頻率13～17 GHz，輸出功率約20 W的GaN功放單片合成，因此合成電橋隔離端選用了大功率匹配負(fù)載。電路中前置驅(qū)動(dòng)放大器用于將末級2只管子推至飽和工作狀態(tài)，外圍低頻電路[10]用于控制放大器柵漏加電時(shí)序與電源濾波。制作出的Ku頻段合成放大器如圖8所示，飽和輸出功率指標(biāo)如圖9所示。測試結(jié)果顯示，功放飽和輸出功率大于35 W，換算得到理論合成效率高于87%。

圖8　Ku頻段功率合成放大器

圖9　放大器飽和輸出功率

4結(jié)束語

介紹了一種具有寬帶特性的三分支線電橋設(shè)計(jì)方法，并采用結(jié)論公式在Ku頻段設(shè)計(jì)出了可工作于12～18 GHz的寬帶3 dB微帶三分支電橋。最終，使用該電橋作為功率合成電路完成了2只GaN功放單片的合成，在13～17 GHz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了飽和高于35 W的功率輸出，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

參考文獻(xiàn)

[1]劉利光，陳君毅．寬帶大功率耦合器的研究與設(shè)計(jì)[J].無線電工程，2014，44(3)：61-63.

[2]李勇，王江濤.S波段小型Lange耦合器的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào)，2011，27(5)：60-63.

[3]WILKINSON E J.An N-way Hybrid Power Divider[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1960，8(1)：116-118.

[4]GAO Nan-jing，WU Guo-an，TANG Qing-hua．Design of a Novel Compact Dual-Band Wilkinson Power Divider With Wide Frequency Ratio[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2014，24(2)：81-83.

[5]清華大學(xué)微帶電路編寫組．微帶電路[M].北京：人民郵電出版社，1975：179-201.

[6]KUMAR S，TANNOUS C，DANSHIN T.A Multisection Broadband Impedance Transforming Branch-line Hybrid[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1995，43(11)：2517-2523.

[7]鄧力.Ku頻段固態(tài)功率合成器設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2006，46(1)：127-129.

[8]黨章，黃建，鄒涌泉，等.Ku頻段80W連續(xù)波空間功率合成放大器設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào)，2010，26(2)：64-69.

[9]王斌，王義.毫米波300W固態(tài)功率合成放大器的設(shè)計(jì)[J].無線電工程，2013，43(4)：44-47.

[10]黨章.Ku頻段高效大功率合成放大器設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2008：35-39.

黨章男，( 1983—)，工程師。主要研究方向:微波/毫米波功放技術(shù)。

作者簡介

收稿日期：2015-05-07

中圖分類號TN72

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2015)08-0058-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.16

引用格式：黨章.Ku頻段寬帶功率合成放大器設(shè)計(jì)[J].無線電工程,2015,45(8):58-61.