王 斌，汪春霆

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

一种Ka频段功率合成放大器的设计

王 斌，汪春霆

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

为了满足系统对发射机小型化的需求，设计了一种Ka频段功率合成放大器，采用波导空间功率合成结合电路功率合成的方式，有效地提高了功率合成放大器的功率密度。吸收传统威尔金森电桥的优点，设计了一种低损耗毫米波微带集成3 dB电桥，其成本低，加工容易，在26～32 GHz插入损耗小于0.3 dB。提出了一种新型的魔T功率合成结构，既保持了较好的3 dB功率分配又提高了两输出支路的隔离度。以此2种3 dB电桥为基础的Ka频段功率合成网络，可提高功率合成放大器工作的稳定性。

毫米波；功率合成；微带集成3 dB电桥；魔T

0 引言

随着波导空间功率合成技术[1]的发展，在Ka频段往往会陷入仅采用波导空间功率合成方式的误区。薄膜电路工艺技术的进步使得低损耗Ka频段微带形式的功率合成器成为可能。在Ka频段采用波导空间功率合成结合电路功率合成的方式可以有效地提高功放模块的功率密度。以往在Ka频段为了减小功放模块和功率合成器的体积，多采用没有隔离度的波导T型结[2]等形式的功率合成结构。波导分支线功率合成器[3]、波导H面缝隙耦合功率合成器[4]和加载电阻膜片的波导T型结功率合成器[5]等结构虽然具有一定的隔离度，但是前两者的工作带宽有限并且占用较大的体积，加载电阻膜片的波导T型结结构紧凑，但是其插入损耗较大、加工装配难度大、电阻膜片承受的负载功率较低。魔T形式的功率合成器虽然具有紧凑的体积、较小的插入损耗、较大的负载承受功率，但是因为其4端口的结构形式限制了其在功率合成器中的应用。本文在魔T的基础上对其进行改进设计，充分利用其作为功率合成器的优点，采用分层设计的形式完全化解了其不利于规模集成的缺点。最终利用魔T形式的功分器采用多层设计的方式，结合电路功率合成在Ka频段设计了一款32路的功率合成模块。该模块具有结构紧凑、支路间隔离度高、方便工程应用和易散热的优点。

1 波导-微带转换

波导的传输损耗较低，微带线方便模块小型化设计，所以在Ka频段功率合成模块中为了兼顾二者的优点多用到波导-微带转换。这些转换结构一般需要满足以下要求：

① 传输损耗小、回波损耗大并且具有足够的频带宽度。表明这种转换结构必须在电性能上满足信号传输的要求，保证信号经过这样的转换结构以后在其幅度和相位上不发生太大变化。

② 易于加工，便于工程实现，装备容易具有良好的一致性。

波导-微带转换的常用方法主要有：鳍线转换、脊波导转换、微带探针转换[6]和同轴探针转换等。鳍线过渡加工和安装方便，插损小、体积大、易产生谐振效应，不易实现宽带过渡；脊波导转换性能良好，需要精密机械加工、体积大；微带探针转换的插入损耗小、带宽宽、结构紧凑、加工方便、装卸容易、不需调整；同轴线探针转换的插入损耗小、带宽好、结构紧凑、加工方便、一致性较差、一般需要调整。所以本文设计的功率合成模块应用了波导-微带探针转换结构。

微带探针型转换结构是从同轴探针发展而来，通过一段耦合微带探针把波导中的电场耦合到微带中，然后用一段高感抗线抵消其电容效应实现探针与微带线阻抗匹配。矩形波导中距转换结构λ/4的短路活塞保证探针在波导中处于电场最强的位置，介质基片穿过矩形波导安装来提供一个波导窗并保证基片定位。波导-微带探针转换的结构如图1所示。

图1 微带探针型波导-微带转换结构示意

使用HFSS软件对该波导-微带转换进行了仿真分析。由仿真结果可知，该转换结构在26～36GHz插入损耗小于0.2dB，波导输入端口的回波损耗优于20dB。

2 3dB功率分配/合成器

3dB威尔金森电桥[7]是毫米波集成电路可采用电桥的主要形式之一，该电桥电路结构简单，隔离端口无接地要求，电路制作容易。电路传输信号在幅度和相位上的平衡主要依靠电路结构固有的对称性，因此，带宽较宽，可以满足功率合成时信号平衡度的要求。因此，以3dB威尔金森电桥为基本合成单元的多级功率分配/合成网络，具有结构紧凑、平衡性好、带宽宽和集成度高的优点，广泛应用于功率单片中，以提高单器件的输出功率。

对于毫米波微带集成电路来说，由于工作波长短，传统的微带集成威尔金森电桥电路的实际尺寸较大，已不具备实际的使用价值。另外，对于电桥隔离电阻而言，如果采用一般的厚膜电阻，在毫米波频段性能较差。随着薄膜技术的发展，目前以陶瓷和石英等介质为基板的微带电路的加工精度越来越高，并且可以在基片上制作薄膜电阻，这样可以极大地改善隔离电阻的高频效应。以石英为介质基板的威尔金森功率分配/合成器如图2所示，该功率合成器具有插损小、隔离度高和尺寸小等优点。另外，随着GaAs工艺技术的进步，以GaAs为介质的威尔金森功率合成器也被设计成为标准的功率合成器产品。

图2 石英介质威尔金森功率合成器

魔T是4端口网络中的一个元件，用模式匹配法和叠加原理可以对魔T结构进行理论分析[8]。理想的魔T是一个无耗、互易的四端口网络，其S参数矩阵为：

根据幺正性可以得到：

S33=S44=S34=0，S11=S22=S12=0。

魔T的4个端口必须同时匹配。此时有

其中魔T的E臂对应4端口，H臂对应3端口，1臂和2臂为结构对称的平分臂，只要E臂和H臂之间既有良好的隔离又有良好的端口匹配，那么1和2之间也可以做到良好的隔离和端口匹配。魔T可以看成是波导E面T型结构和波导H面T型结构的叠加，二者叠加以后形成的4端口网络同时保持了二者功率分配/合成网络的优点，又避免了3端口网络存在的固有弊端，从而形成了一个性能良好的功率分配/合成网络。波导E面T型分支是一种串联分支，类似于微带传输线结构的串联分支。在这种T型结构的匹配中，多用容性结构来匹配阻抗，同时达到很好的功率分配和合成。波导宽边的不连续性将引入一个串联电抗。通常的匹配方法是额外加入一个相反特性的电抗元件来抵消这个波导不连续带来的电抗[9]，魔T结构如图3所示。

图3 魔T功率分配合成结构模型

使用HFSS软件对该波导-微带转换进行了仿真分析，由仿真结果可知，在26～34 GHz插入损耗小于0.2 dB，两功率分配支路间的隔离度大于25 dB，输入输出端口的回波损耗优于-20 dB。

3 波导空间混合微带电路功率合成模块

结合波导T型结功分器、波导-微带探针过渡和石英介质基板的威尔金森合成器实现的4路功率合成模块如图4所示。

图4 4路功率合成模块

选用输出功率为2 W的功率单片HMC906作为上述4路功率合成模块的放大器，4路功率合成以后在27.5～31.5 GHz总的输出功率为7 W左右，该模块的功率合成效率大于85%。功率合成效率主要取决于功率合成器的损耗、功率合成支路间幅度和相位的一致性等因素，完全采用波导空间功率合成方式其合成效率可以达到90%[10],但其缺点是功率合成模块体积较大。

为使魔T功率分配/合成器适于大规模的功率合成网络，将波导魔T改进设计，并把这种结构分层应用于多路功率合成器中，如图5所示。将8合路器的出口和相应8分路器的出口用波导连接并对8路魔T功率分配/合成网络进行仿真分析，仿真结果如图6所示。由仿真结果可知：8路魔T功率分配/合成器在26～34 GHz，8路间幅度不平衡度小于0.2 dB，8路魔T功率分配/合成器的背靠背结构在26～34 GHz插入损耗小于0.3 dB,合路器输入端回波损耗优于-20 dB。

图5 应用3级魔T的8路功率合成网络结构

图6 3级魔T的8路功率合成网络背靠背结构仿真结果

将设计的混合4路功率合成模块装配到魔T形式的8路功率分配/合成网络上便可实现一个32路功率合成的模块，如图7所示，该模块的尺寸为160 mm×55 mm×42 mm。实际加工的8路魔T功率分配/合成器的背靠背结构的插入损耗在26～34 GHz是0.8～1.0 dB，所以单8合路器的电路损耗约为0.45 dB，它引起的合成效率约为90%，所以整个32路功率合成模块的功率合成效率约为80%。电路尺寸的减小导致功率合成器的损耗减小，所以本文实现了同32路波导空间功率合成[11]相当的功率合成效率。该32路功率合成模块与3路功率分配/合成器[12]进行组合还可以实现非二进制路数的功率合成，方便功率合成放大器整机的设计。

图7 32路功率合成模块

4 结束语

突破以往在Ka频段仅采用波导空间功率合成的方式，把微带电路的功率合成和波导内空间功率合成结合在一起可以有效减小功率模块的体积，更加适合工程应用。将魔T功率合成器进行叠层设计，在充分利用魔T功率合成器高隔离度的情况下可以大大减小功率合成器的体积。最终设计的Ka频段功率合成放大器其需要散热的功率模块以阵列的形式排列在功放模块的一侧，这样既能减小功放模块的体积又能方便整个模块的散热。

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王 斌 男，(1983—)，博士，工程师。主要研究方向：卫星通信技术、微波毫米波技术。

汪春霆 男，(1965—)，博士生导师，研究员。主要研究方向：天基信息网络技术。

Design of a Power Combing Amplifier in Ka-band

WANG Bin,WANG Chun-ting

(The54thResearchInstituteofCECT,ShijiazhuangHebei050081,China)

In order to meet the need of system for transmitter miniaturization,the paper presents a power combing amplifier in Ka-band.The power density of the power combing amplifier is increased through waveguide spatial power combining and circuit power combining.A low-loss millimeter wave microstrip integrated 3 dB hybrid is proposed,which extracts the advantages of traditional Wilkinson hybrid.It is easily fabricated and with low cost,and its insertion loss is lower than 0.3 dB within 26～32 GHz.A novel magic tee is proposed,which not only maintains a good 3 dB power division,but also improves the isolation between the two output ports.A Ka-band power combining network based on the two 3 dB hybrids can improve the stability of power amplifier.

millimeter wave;power combining;microstrip integrated 3 dB hybrid;magic tee

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.01.12

王 斌,汪春霆.一种Ka频段功率合成放大器的设计[J].无线电工程,2017,47(1):49-52.

2016-11-07

国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2015AA015701)。

TN73

A

1003-3106(2017)01-0049-04