毫米波300 W固态功率合成放大器的设计

王 斌，王 义

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

Ka频段卫星通信的发展趋势就是终端设备的小型化，因此设备中的功率放大器一般采用固态器件，当前商用器件的最大输出功率为7 W，为实现更高功率输出采用功率合成技术已成为一种必然选择。该技术可通过组合若干个相干工作单元来获取更大的输出功率，实现途径主要有芯片功率合成、电路功率合成和空间功率合成。

在毫米波频段，功率器件的自身功耗较大，所以功率合成就带来了一个散热问题。为了适合现有功率单片的应用，由波导功率分配/合成器实现的波导内空间功率合成使功率单片不必局限于波导空间内，功率单片可通过与波导连接的微带线接地基板散热。波导内空间功率合成技术在封闭空间内对各个辐射的电磁能量进行合成，其特点是能量泄露小、抗干扰能力强、散热比较方便、并且能够容易地应用于毫米波功率放大器的研制中，所以这种空间功率合成技术正被广泛地研究和应用。

1 波导—微带过渡

波导的传输损耗较低，微带线方便模块小型化设计，所以毫米波系统中为了兼顾两者的优点多用到波导－微带过渡［1］。这些过渡结构一般具有传输损耗小、回波损耗高并且有足够的频带宽度;易于加工、便于工程实现、装备容易且一致性好等特点。

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，结构如图1所示。

图1 微带探针型波导微带过渡结构

探针的输入阻抗是探针宽度、长度、过渡结构距终端短路面距离以及频率的函数。选择这些合适的参量便可保证这种结构将在较宽的频率范围内有较小的插入损耗。为使微带探针激励起的波导模与矩形波导中主模TE10模耦合最紧，探针应从波导宽边中心插入，置于TE10模电场最大位置。探针附近被激励起的高次模使接头具有电抗性质。短路活塞提供一个可调电抗用于抵消探针电抗。确定微带探针所激励起高次模的幅度和算出储藏在这些非传播模的纯电抗分量，就可以计算出探针的电抗。由于探针末端的电流必须为零，故对于探针来说，假设其电流按正弦驻波分布且假定探针电流为无限细线电流:

式中，d为探针插入的深度。微带的输入阻抗:

式中，P为辐射到波导中的功率;Wm－We是由高次模激励并存储在探针附近的无功功率。探针的辐射电阻是:

在毫米波频段为了减小传输损耗和降低高频效应，微带线介质多采用Rogers RT/duroid 5880来制作，其介电常数约为2.2。但是这种材质的微带线均是采用丝网印刷技术加工成的，这种加工技术加工出的微带线的精度有限，并且Rogers RT/duroid 5880为软基板，易变性。这种微带探针应用于毫米波频段，其可靠性不够高。为了进一步提高微带线的加工精度和工作的可靠性，同时兼顾其传输损耗较小的特点，又研制了以石英为介质基板、溅射成形工艺制作的微带探针，其介电常数约为3.8。

2 波导功率分配/合成器

分支线波导定向耦合器［2］如图2所示，其2个输出端口的相位差90°耦合结构是2个波导公共宽边上的开孔，可以工作于矩形波导的传输主模。2个公共波导宽边上的开孔数目可以是单孔、双孔和多孔等，一般而言开孔的数目不同可以获得不同的耦合度。该结构具有互易，对称的特点，且2个输出端口有较高的隔离度。3 dB分—支波导定向耦合器多采用开孔数为5的耦合方式，其仿真结果在波导全带宽内可以实现回波损耗小于－15 dB，并且该结构2个输出端口间有15 dB左右的隔离度，这一点要优于普通的3端口无耗网络。因此，3 dB分支波导定向耦合器作为功率合成器进行功率合成的时候在可靠性方面具有明显优势。

图2 分支波导定向耦合器

波导分支线形式的波导功率分配/合成器的带宽受枝节数目影响，为了进一步拓展带宽，就得采用更多的枝节。随着枝节数的增多，E面波导分支耦合器的某些枝节缝隙会很窄，以至无法加工。波导H面定向耦合器在波导窄边上开孔，由于孔的高度最高也只能达到波导窄边的尺寸，且孔间距受到λ/4波长的限制，难以做得很大，故无法耦合波导主模，要实现3 dB耦合需要将耦合窗厚度，即2个波导之间的壁厚取得很小，这也是机加工无法实现的。因而一些采用高次模单孔耦合的结构在波导H面3 dB定向耦合器［3，4］中得到了广泛使用。这种结构采用了高次模式耦合，为了和标准波导中传输的主模匹配，用H面膜片改变波导耦合窗的宽边尺寸，即改变高次模阻抗，实现阻抗匹配。这种结构简单、工作带宽较宽、耦合窗尺寸也不大，非常适合工程应用。

3 功率合成网络与放大器

H面缝隙耦合功率分配/合成器、波导T型分支［5］和石英介质微带—波导过渡结构三者联合应用可以得到一个4路功率合成网络。波导分支线3 dB耦合器和波导H面缝隙耦合功率分配/合成器两者级联就构成了一分四的功率分配/合成网络，该结构的模型如图3所示。

该4路功率合成网络尚不能直接应用于功率合成放大器，该4路功率合成网络、波导T型分支和石英基板的微带—波导过渡结构三者一起就能构成一个可以直接应用于功率合成放大器的8路功率合成网络，该网络如图4所示。

图3 功率分配/合成器

图4 8路功率合成网络的三维结构和仿真结果

电磁场通过十字交叉的4个波导端口输出，根据对称性，4个端口输出的幅度一致。由于波导宽边的不连续性要引入一个串联的电抗，通常的匹配方法需要加入一个相反的电抗元件抵消这个波导不连续带来的电抗。常见的方式有端口阶梯变换和电容膜片等。但当工作带宽较大时，网络本身的串联电抗与加入的匹配元件会发生失配，不再在输入端口呈现出匹配状态。另外由于阶梯变换等本来就给加工带来了复杂性，因此，采用一个圆台做宽带匹配，这种匹配加工方便，匹配带宽较宽。由于这种渐变结构具有比较复杂的边界条件，因而很难得到设计该匹配结构的解析公式，通过电磁场仿真软件HFSS的仿真设计可以较容易的实现。波导一分四的功率分配/合成器如图5所示。

该4路功率分配/合成器结合设计的8路功率合成放大器可以进一步实现32路功率合成输出，该32路功率合成放大器的结构图形如图6所示。

图5 一分四合成器

图6 合成放大器

Ka频段最大输出功率的固态单片可以输出7 W(38.5 dBm)，32路功率合成器的插损仿真值为0.4 dB，因为实际机加工的精度问题和装配误差，该32路功率合成器的损耗约为1 dB，因此经过32路7 W功率单片的功率合成最终获得输出功率为177.8 W(52.5 dBm)。该32路功率合成放大器的尺寸为356 mm×356 mm×285 mm。

同样的结构，用16路功率合成放大器替换上面的8路功率合成放大器便可得到64路的功率合成放大器。该放大器的输出功率约为355 W(55.5 dBm)，该 64路功率合成放大器的尺寸为424 mm×424 mm×376 mm。

4 结束语

卫星通信固定站对固态功放输出功率的要求越来越高，研制的300 W毫米波固态功率放大器已经足够满足多数情况下的应用。随着输出功率的增大，功率放大器整机的功耗也越来越大，散热问题逐渐成为一个不可逾越的屏障。该结构的固态功率放大器存在一个缺点就是不能直接应用于室外环境，在整机尺寸较小的情况，为了能够研制出满足室外环境应用的输出功率更大的固态功率放大器就必须采用诸如液冷［6］等其他更先进的散热方式。

［1］王婧倩，孙厚军.Ka波段微带探针型波导微带转换结构［C］.北京:海峡两岸三地无线科技学术会论文集，2005:18－25.

［2］柳维君.微波技术基础［M］.成都:电子科技大学出版社，1989:306－313.

［3］OHTA I，HINO A，KAWAI T.Broad-Band Simple H-Plane Directional Couplers［J］.Proceedings of APMC2001，2001(1):115－118.

［4］TANAKA T.Ridge-shaped Narrow WallDirectional Coupler Using TEl0，TE20，and TE30 modes［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1980，28(3):239－245.

［5］江肖力，王 斌.Ka频段T型波导功率合成器的改进［J］.无线电工程，2009，39(3):41 －43.

［6］由金光，姚武生.S波段液冷固态功放组件的设计［J］.电子信息对抗技术，2011，26(3):79－82.