Ku频段宽带功率合成放大器设计

党　章

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

Ku频段宽带功率合成放大器设计

党章

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

摘要在常用的微带两分支线电桥理论基础上，通过类似的奇偶模分析法对具备更宽工作频带的微带三分支线电桥进行了理论推导，得到了满足3 dB耦合条件时的各分支线特性阻抗计算公式。借助3D电磁场仿真软件HFSS，对理论计算初值进行了仿真优化，最终得到工作带宽可覆盖整个Ku频段(12～18 GHz)的微带三分支线3 dB电桥。采用该3 dB电桥背靠背地将2只功放管合成，在13～17 GHz频段内实现了输出功率高于35 W的宽带功率合成放大器。

关键词Ku频段；微带分支线电桥；宽带；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

功率合成中常用的电路形式包括：双定向3 dB耦合器[1]、lange电桥、威尔金森功分/合成器以及3 dB分支线电桥等。

Lange电桥[2]具有超宽带、小尺寸等优点，广泛应用于芯片级功率合成领域。高频电路中，由于Lange电桥的耦合线宽很窄，通常都是采用薄膜工艺来制作。但受限于工艺，Lange电桥耦合指间的电连接不太容易通过空气桥/介质桥实现，多数工程应用中采用手工金丝键合，带来了电路的性能恶化与指标离散。

威尔金森功分/合成器[3,4]具有结构简单、易扩展等优点，通过多级阻抗变换可实现更宽的工作带宽。采用薄膜工艺整体制作的威尔金森功分/合成器，受限于薄膜电阻的功率能力而难以用于大功率合成。外接隔离电阻时，随着工作频率升高，电阻的封装与装配将会给电路的性能与一致性带来很大影响，实际使用时通常需要长时间的调试。

分支线电桥[5]电路形式简单，常规印制板工艺即可制作，因此可以与系统中的其它微带电路整版加工与安装。此外，通过选取不同功率能力的吸收端负载，即可满足不同功率应用场合，且对电路整体性能影响很小。常用的两分支电桥相对工作带宽有限(典型5%～8%)，可通过扩展分支线数量来扩宽工作频带。

介绍了一种三分支线电桥，并通过理论分析得到3 dB耦合时的计算公式。借助公式计算与软件优化仿真，设计并制作出了工作频带可覆盖12~18 GHz的宽带3 dB微带三分支线电桥。最终，采用该3 dB电桥实现了2只20 W单管的合成。

1三分支线电桥理论分析

三分支线电桥[6]为四端口器件，具有优良的端口驻波特性，其中的直通端与耦合端除了具备较好的隔离度外，相比隔离端还有很好的方向性。与二分支电桥分析方法类似，将三分支线电桥等效于如图1中所示的归一化导纳网络。

图1　三分支线电桥等效模型

把网络中各级单元通过奇偶模分析法获得的矩阵级联，最后得到导纳网络的总奇偶模矩阵为：

(1)

在理想方向性与端口无反射条件下，必将满足(a+b)-(c+d)=0。从电桥网络矩阵可发现a=d，故应有b=c。因此，通过总奇偶模矩阵可计算得到满足理想方向性和无反射时的各臂特性导纳间的关系：

(2)

借鉴二分支电桥网络的端口电压波分析结论，可得到三分支线电桥的耦合端口耦合度计算公式为：

(3)

2Ku频段三分支电桥仿真设计

通过上节推导出的公式可轻易计算出50Ω传输系统中三分支线电桥各支节线的特性阻抗，并映射成传输线的物理参数。上述参数只是针对中心频率在理想情况下求出的，若要使电桥在一定的工作频带内满足相应指标，还需要借助仿真软件对上述初始值进行优化。

根据实际使用情况，选择微带线结构，介质基板选用Rogers公司的RT/duroid5880，介电常数2.2，厚度10mil。本次设计的目标是Ku频段，并保证尽量宽的工作频带用于满足不同工程应用，因此选取15GHz为中心频率。对应各支节线的初始特性阻抗与物理参数如表1所示。

表1　初始参数

按表1参数在HFSS中建立的电路仿真模型如图2所示。参数优化时，除了尽量保证12～18 GHz频带内直通端与耦合端幅度一致，还需要将输入端回波压低。优化过后的三分支线电桥直通端与耦合端传输参数仿真曲线如图3所示，直通端与耦合端隔离度，以及输入端回波系数如图4所示。

图2　微带三分支线电桥模型

图3　电桥传输参数仿真

图4　电桥反射与隔离参数仿真

从仿真优化结果可知，三分支线电桥相比二分支可大幅度扩展工作频带，将相对工作带宽提高至了40%以上。

3实物测试

3.1　Ku频段三分支电桥测试

Ku频段三分支线电桥电路版图由仿真优化结果直接导出并制作。将加工完成的电路基片通过铅锡焊料焊接至测试台上，隔离端口与50 Ω匹配负载金丝键合，其余3个端口均与K接头连接。测试电路如图5所示，测试结果如图6和图7所示。

图5　Ku频段三分支线电桥测试

图6　电桥传输参数实测

图7　电桥反射与隔离参数实测

实测结果表明，12～18 GHz频带内直通端与耦合端的幅度差≤0.8 dB，隔离度≥19 dB，输入端口回波系数≤-17 d。与仿真结果相比，实测的耦合与直通参数略向频率低端偏移，隔离度与仿真较为一致，反射系数由于接头与匹配负载的误差有一定的恶化。总体而言，实物测试与仿真结果具有较好的一致性。

3.2　Ku频段合成放大器测试

将上述的3 dB电桥背靠背使用即构成了2路的功率合成电路[7-9]。本设计采用2片工作频率13～17 GHz，输出功率约20 W的GaN功放单片合成，因此合成电桥隔离端选用了大功率匹配负载。电路中前置驱动放大器用于将末级2只管子推至饱和工作状态，外围低频电路[10]用于控制放大器栅漏加电时序与电源滤波。制作出的Ku频段合成放大器如图8所示，饱和输出功率指标如图9所示。测试结果显示，功放饱和输出功率大于35 W，换算得到理论合成效率高于87%。

图8　Ku频段功率合成放大器

图9　放大器饱和输出功率

4结束语

介绍了一种具有宽带特性的三分支线电桥设计方法，并采用结论公式在Ku频段设计出了可工作于12～18 GHz的宽带3 dB微带三分支电桥。最终，使用该电桥作为功率合成电路完成了2只GaN功放单片的合成，在13～17 GHz频段内实现了饱和高于35 W的功率输出，达到了设计预期。

参考文献

[1]刘利光，陈君毅．宽带大功率耦合器的研究与设计[J].无线电工程，2014，44(3)：61-63.

[2]李勇，王江涛.S波段小型Lange耦合器的应用设计[J].微波学报，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]清华大学微带电路编写组．微带电路[M].北京：人民邮电出版社，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]邓力.Ku频段固态功率合成器设计[J].电讯技术，2006，46(1)：127-129.

[8]党章，黄建，邹涌泉，等.Ku频段80W连续波空间功率合成放大器设计[J].微波学报，2010，26(2)：64-69.

[9]王斌，王义.毫米波300W固态功率合成放大器的设计[J].无线电工程，2013，43(4)：44-47.

[10]党章.Ku频段高效大功率合成放大器设计[D].成都：电子科技大学，2008：35-39.

党章男，( 1983—)，工程师。主要研究方向:微波/毫米波功放技术。

作者简介

收稿日期：2015-05-07

中图分类号TN72

文献标识码A

文章编号1003-3106(2015)08-0058-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.16

引用格式：党章.Ku频段宽带功率合成放大器设计[J].无线电工程,2015,45(8):58-61.