X波段10 W功率合成放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

薄淑華，劉瑜現(xiàn)，任 程

(航天科工集團(tuán)303所，北京 100074)

0 引言

隨著軍用通信系統(tǒng)與商用系統(tǒng)的快速發(fā)展，對(duì)于高效率、寬帶、小型化固態(tài)功率放大器的需求與日俱增[1]。由于微波單片集成電路固態(tài)器件的輸出功率有限，廣泛使用功率合成技術(shù)以獲得更大的輸出功率[1-3]。功率合成是指通過(guò)功率合成網(wǎng)絡(luò)將多個(gè)相同型號(hào)的單元功放，以特定的相位關(guān)系實(shí)現(xiàn)信號(hào)疊加，使功率合成放大器的功率輸出能力相較于單元功放有明顯提升[4-5]。功率合成技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和改進(jìn)，可分為芯片式合成、電路式合成、空間功率合成、混合型功率合成及其他形式的功率合成技術(shù)[6]。電路式功率合成技術(shù)以其成本低、合成功率穩(wěn)定等特點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。本文通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)功分器的結(jié)構(gòu)和尺寸，進(jìn)一步優(yōu)化功分器的性能，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種平面的4路功率合成網(wǎng)絡(luò)。該功率合成網(wǎng)路具有較小的差損、良好的相幅一致性，并應(yīng)用到功率合成放大器的研制中，取得了不錯(cuò)的成效。

1 平面合成技術(shù)

本文主要研究的對(duì)象為微帶形式功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，首先分析傳統(tǒng)的Wilkinson功分器，然后優(yōu)化功分器的結(jié)構(gòu)和尺寸，使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、差損小等優(yōu)點(diǎn)[7-9]。對(duì)改進(jìn)型Wilkinson功分器進(jìn)行實(shí)物加工及測(cè)試，驗(yàn)證新型Wilkinson功分器理論分析的正確性[10-12]。

1.1 介質(zhì)基片的選取

微帶線作為目前最常用的平面型傳輸線，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其功率容量主要決定于金屬導(dǎo)帶寬度[13]，信號(hào)傳輸特性主要與以下參數(shù)有關(guān)：微帶線金屬導(dǎo)帶寬度W，介質(zhì)基片厚度H，介質(zhì)基片的介電常數(shù)ε。

圖1 微帶線結(jié)構(gòu)

由微帶線的特性可以知道，介質(zhì)基片的厚度相同時(shí)，介電常數(shù)越高，金屬導(dǎo)帶越窄；當(dāng)介電常數(shù)相同時(shí)，介質(zhì)基片越厚，金屬導(dǎo)帶越寬[14]。所以，為了使微帶線能夠承受更大的功率，可以選擇介電常數(shù)較小的介質(zhì)基板且適當(dāng)增加介質(zhì)基板的厚度，從而使金屬導(dǎo)帶寬度增加，從而增加其功率容量[15]。本文采用Rogers RT 5880介質(zhì)基片，其介電常數(shù)為2.2，導(dǎo)體材料為銅，導(dǎo)體表面粗糙系數(shù)為1 μm，導(dǎo)體厚度30 μm。

1.2 功率合成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖2 等分Wilkinson功分器原理

本文設(shè)計(jì)的功分器實(shí)物圖和仿真圖如圖3所示，功分器工作在8.6～9.6 GHz。Wilkinson功分器HFSS的仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖3 等分Wilkinson功分器

圖4 Wilkinson功分器仿真結(jié)果

圖5 Wilkinson功分器測(cè)試結(jié)果

可以看出在有效的工作頻帶內(nèi)功分器的仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果大致吻合，功分器3個(gè)端口的駐波都小于1.5，2個(gè)端口的插入損耗都小于3.8 dB，端口隔離度大于28 dB。此結(jié)構(gòu)應(yīng)用于功率合成時(shí)，能夠保證良好的信號(hào)傳輸。

在功分器的性能得到驗(yàn)證的前提下，將單個(gè)功分器結(jié)合微帶線進(jìn)行整體仿真得到2×2的4路功率合成網(wǎng)絡(luò)的實(shí)物圖如圖6所示。4路功率合成網(wǎng)絡(luò)HFSS的仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果如圖7和圖8所示，可以看出，4路功率合成網(wǎng)絡(luò)的駐波小于1.35，每一路差損小于0.9，不同通路之間的相位差小于5°，符合功率合成的技術(shù)要求。

圖6 4路功率合成網(wǎng)路實(shí)物

圖7 4路功率合成網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果

圖8 4路功率合成網(wǎng)絡(luò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2 4路功率合成放大器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

在4路合成網(wǎng)絡(luò)性能驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)4路合成功率放大器。本文采用Hittite公司的HMC451芯片作為功率驅(qū)動(dòng)放大芯片，工作頻率為5～20 GHz，放大器的增益為19 dB，放大器的飽和功率輸出21 dBm，端口采用50 Ω方式設(shè)計(jì)。通過(guò)微組裝加工方式，并采用金絲鍵合的工藝實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)放大器的性能。本文采用的功率放大器芯片NC31144S-812P5型號(hào)放大器芯片，其輸出工作頻帶為8～12 GHz，可以輸出4 W左右的連續(xù)波信號(hào)。本文根據(jù)放大器的功能特點(diǎn)設(shè)計(jì)放大器的匹配和電源電路。最后得到的4路功率合成放大器如圖9所示。

圖9 功率合成放大器實(shí)物

對(duì)4路功率合成放大器進(jìn)行實(shí)際測(cè)試并得到結(jié)果如表1所示。由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，4路功率放大器在整個(gè)工作頻帶內(nèi)輸出功率達(dá)到40 dBm以上，即10 W以上。經(jīng)計(jì)算，4路功率合成放大器的功率合成效率為82%以上。

表1 4路功率合成放大器輸出功率測(cè)試結(jié)果

頻率/GHz輸入功率/dBm飽和輸出功率/dBm8.67.941.78.77.641.58.87.441.38.97.441.19.07.440.79.17.440.49.27.540.29.310.240.49.410.440.69.510.640.49.610.440.7

放大器的合成效率為信號(hào)的平均輸出功率和4路芯片輸出功率的總和的比值：

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)Wilkinson功分器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)完成了X波段10 W四路功率合成放大器的設(shè)計(jì)、加工和測(cè)試，最終實(shí)現(xiàn)了10 W連續(xù)波信號(hào)功率的輸出。同時(shí)本文設(shè)計(jì)也存在放大器體積大以及工作頻段窄等方面的問(wèn)題，在后續(xù)的工作中將逐步實(shí)現(xiàn)放大器的小型化、寬帶寬和高功率，并對(duì)其他功率合成方法進(jìn)行探索和研究。