毫米波超宽带合成器的研究

潘海波，张　丽，吴小帅

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)



毫米波超宽带合成器的研究

潘海波，张丽，吴小帅

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)

摘要：首先介绍了功率合成技术，指出合成效率是衡量合成效果的关键指标；其次，对影响合成效率的主要因素如电路插入损耗、幅度差和相位差进行了分析；最后，提出了一种工作在26.5～40 GHz频率范围内，带宽为13.5 GHz的超宽带八路功率合成器，然后利用CST软件对该合成结构进行仿真，仿真结果达到预期效果，具有很好的使用价值。

关键词：毫米波;超宽带；合成效率；空间合成

0引言

随着卫星通信技术不断的发展以及市场需求的快速扩大，在通信中，对超宽带、大功率功放的需求与日俱增。因为毫米波发射机输出功率增大意味着具有更大的作用半径、更好的通信质量、更强的抗干扰能力[1]。尽管现有微波单片的输出功率已经提高很多，但还是很难仅依靠一个单片获得期望的输出功率，因此只能采用功率合成技术来获得期望的功率输出。

1功率合成技术

功率输入信号经过功率分配网络，被功率分配器分为幅度一致的N路信号，然后每路信号分别经过放大单元进行放大，最后将放大的各路信号输入到功率合成网络[2]。一般每路信号经过功分/合成网络后的总相位变化是一致的，再进行矢量合成叠加和放大，最后由放大器输出端口输出。功率放大器的输出功率定义为[3]：

(1)

式中:η为合成效率;N为合成路数;PMMIC为每路功率单片的输出功率，其原理框图如图1所示。

由公式(1)可以得出合成效率公式:

图1　功率合成器原理框图

(2)

式中：Pout为功率合成器输出功率；Pall为功率放大单元输出功率总和。

功率合成效率是衡量一个功率合成网络好坏的重要指标之一，功率合成效率的大小直接关系着功率合成网络的性能好坏。

2合成效率影响因素

功率合成器的合成效率受到三方面的影响:电路插入损耗、各端口输出功率幅差和相位差[4]。

2.1电路插入损耗的影响

电路插入损耗主要包括整体电路的传输损耗和反射损耗。电路自身的传输路径损耗、电路与芯片之间的连接损耗是这些产生损耗的主要原因。在研究中可以发现，合成效率与单极电路损耗呈指数关系，随着单级电路损耗的增大，合成效率反而下降。其次，合成效率也受到合成级数的影响，合成效率同样随着合成级数的增加而下降[5]。由上可知，设计合成器时不仅要要降低单级的电路损耗,同时也要减少合成级数，从而提高其合成效率。图2表示了单级电路损耗和合成级数对合成效率的影响，图中纵轴η为合成效率，横轴为单级电路的电路损耗，N为合成路数。

图2　单级电路损耗和合成级数对合成效率的影响

2.2幅度差和相位差的影响

现以二合一功率合成器为例，针对幅度差和相位差对合成效率造成的影响进行分析。假设进入合成器的2路信号功率分别为p1和p2，对应相位分别为φ1和φ2，输出功率p定义为:

(3)

当φ1=φ2，p1≠p2时，公式(3)可化简为:

(4)

将式(4)代入式(2)中，得到合成效率为:

(5)

将2路信号的幅度差定义为：

(6)

由图3可知，在2路信号的相位一致的条件下，如果Δp小于1 dB时，对合成效率理论值大于99.5%，造成的影响就可以忽略；如果Δp不超过3 dB时，合成效率大于97%[5]。

图3　幅度差对合成效率的影响

当φ1≠φ2，p1=p2时，公式(3)可化简为:

(7)

同样可以得到合成效率为：

(8)

由图4可知，合成效率随着相位差的增大快速下降，相对于幅度差而言，相位差对合成效率的影响更为显著。

图4　相位差对合成功率的影响

在设计功率合成器时发现，功率分配器和功率合成器的结构具有一致性，除注意电路损耗、幅度和相位的一致性外，还应注意以下几个方面：

(1) 为避免在大功率合成中毁坏器件，功率合成器应具有恰当的功率容量，来满足系统要求。

(2) 为避免各支路信号之间相互干扰，各放大支路间需具备很好的隔离度，排除当其中某支路恶化后，其他支路受其影响的现象发生，来保证系统的可靠性。

(3) 降低合成器各端口的驻波比，减少端口的功率反射。

(4) 合成器应具有较好的散热性，避免温度太高影响功率的输出或者损坏芯片。

3八路合成

本为提出了一种工作在26.5～40 GHz频率范围内、带宽为13.5 GHz的超宽带8路合成器，其结构见图5，利用CST软件对该合成器进行仿真，仿真结果如图6所示。

图5　八路合成器

图6　CST软件仿真结果

在26.5～40 GHz频率范围内，参数S11小于-20 dB，8个支路的输出功率基本相同，约为-9 dBm。在中心频点33.25 GHz，驻波比S11为-26 dB，8路输出功率最大相差0.2 dBm。因为该合成结构采用波导内的空间合成，结构上的插入损耗很小，可以忽略计算得出合成效率约为96.7%，而且结果简单，所以该合成器具有很好的实用价值。

4结束语

本文介绍了影响功率合成器的主要因素，并依据这些影响因素设计了毫米波段超宽带8路合成器。该合成器的仿真结果达到了预期的效果，具有实用价值。后期的研究将在实现低驻波比、提高合成效率和增大带宽方面进行更加深入的研究。

参考文献

[1]甘体国.毫米波工程[M].成都：电子科技大学出版社,2006.

[2]吴礼群,蔡昱,成海峰,等.Ku波段600W固态合成功放设计[J].电子与封装,2011,11(4):24-27.

[3]邹梅颖.毫米波功率合成网络的设计[D].成都：电子科技大学,2012.

[4]王先锋.60 GHz毫米波功率合成技术的研究[D].杭州:浙江大学，2012.

[5]DELISIO M P,YORK R A.Quasi-optical and spatial power combining[J].IEEE Transactions on Microwave Theory Technology,2002,50(3):929-936.

Research into Millimeter-wave Ultra-wideband Synthesizer

PAN Hai-bo,ZHANG Li,WU Xiao-shuai

(The 13th Electronic Research Institute,CETC,Shijiazhuang 050051,China)

Abstract:This paper firstly introduces the technology of power synthesis,and illuminates the key index of synthesis effect is synthetic efficiency;secondly analyzes several factors affecting the synthetic efficiency such as circuit insertion loss，amplitude difference and phase difference;finally puts forward a 8-port power synthesizer which works in frequency 26.5～40 GHz and the bandwidth is 13.5 GHz,then uses CST software to simulate the synthetic structure.The simulation result achieves the desired effect,and the synthesizer has good usage value.

Key words:millimeter-wave;ultra-wideband;synthetic efficiency;space synthesis

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.020

中图分类号：TN73

文献标识码：B

文章编号：CN32-1413(2016)01-0092-03

收稿日期:2015-12-23