波导内空间功率合成放大器的设计

徐永杰 郭锋

（广州海格通信集团股份有限公司广州510663）

波导内空间功率合成放大器的设计

徐永杰 郭锋

（广州海格通信集团股份有限公司广州510663）

提出了一种高效的用于卫星通信的波导内空间功率合成结构，利用三维电磁场仿真软件建模仿真并优化，在13.5GHz～15.2GHz频率范围内回波损耗均优于39dB，插入损耗低于0.1dB，同时设计了低损耗T型功率分配/合成网络，空间合成结构与T型功率分配/合成网络一体化设计，最终研制出波导内空间功率合成放大器，实测在13.75GHzGHz～14.5GHz频率范围内，输出功率大于46.8W，总合成效率约为78%。

鳍线；空间功率合成；高效率；Ku频段

Class NumberTN965·2

1 引言

卫星通信系统的发展日新月异，而高频大功率功放作为其中的关键部件，对其综合性能的要求也越来越高，不仅要求功放输出功率大，且还应兼有小型化、低功耗、高可靠性的特点。目前，传统工艺的Ku频段单个功率器件输出功率低，GaN材料的出现，使得Ku频段单个功率器件的输出功率达到50 W，但Ku频段30 W以上的功率器件受限于元器件的禁运。为了满足卫星通信系统对功率越来越高的要求，多采用功率合成方案。

文献［1～3］中采用平面型的功率合成方案，结构简单，加工成本低，但平面电路在Ku频段损耗较大、效率低，无法满足高效率和大功率的要求；文献［4］采用了贴板式波导内空间功率合成结构，将输入、输出信号由空间耦合到MMIC芯片上，从而减少了介质损耗，增加了功率附加效率，但这种结构的散热效果较差，限制了它在实际工程中的应用。文献［5］采用了托盘式波导内空间功率合成结构，实现了8路功率合成其输出功率为2.4W，功率增益9dB，合成效率为68%。这种托盘式结构中的每一层托盘可视为一个子阵，托盘的上下、左右四面呈严格对称结构，所以各路传输电路一致性易于控制，有利于各路的幅相一致性，且托盘之间的空间允许放置具有一定厚度的导热板，散热效果较好。

基于文献［5～10］的设计思路，本文提出了一种工作在Ku频段，高效、低损耗的波导内空间功率合成结构，并设计了低损耗T型功率分配/合成器。利用此合成结构和T型功率分配/合成器，制作了Ku频段40W功率放大器，在环境温度-40℃～+65℃条件下，实测在13.75GHz～14.5GHz频率范围内，输出功率大于46.8W，总合成效率约为78%。

2 波导内空间功率合成器的设计

鳍线是一种宽带端射天线，能自然地实现空间波阻抗与传输线阻抗之间的变换，可以获得良好的匹配，因此在空间功率合成器中得到了广泛的应用。其中功率合成器的核心是鳍线，两个金属鳍对称分布，完成波导传输模式TE10模向准TE模的转换，再通过微带匹配线变换成TEM模。鳍线的设计关键是过渡方向的平滑曲线设计。平滑曲线的选取要使其引入的反射损耗在Ku频段内最小，并使过渡段物理尺寸尽可能地短。经过分析与实验可知，最短的过渡段长度可以大于或等于一个波导波长λg，λg按过渡频段的最低频率选取。根据Mirshekar［11］等提出的一种余弦平方曲线公式：

另外还包括单指数和双指数函数曲线，即：

其中L代表过渡长度，b为波导窄边宽度，s为微带线宽度。

选取鳍线过渡频率为13.75GHz，波导为标准WR75波导，介质基片为Roger公司的介电常数为εr=2.2，h=0.508mm的聚四氟乙烯板。根据上述公式，得到对应的函数关系。用电磁仿真软件CST中的Spline曲线来进行鳍线过渡的设计和优化。设计中充分考虑了鳍线在波导内的装槽深度对过渡性能产生的影响，经过仿真验证，随着频率的增加，装槽深度越小，高端频率性能越好。

基于以上设计，在仿真软件中建模优化后得到了功率合成器的最终结构，如图1所示，对应的仿真结果如图2所示。

由图1可知，2X4功率合成器包含了四层基板，以WR75波导宽边的中心位置作为四层基板的对称中心，以对称中心将上下基板镜像放置。在波导到鳍线过渡的始端，鳍线导带的起始间距为波导的窄边距离，这样设计使波导中的信号连续传输到鳍线上，能最佳地耦合TE10模。鳍线过渡的两个金属鳍组成圆弧渐变段，能将入射的TE10模的电场集中并同时旋转900，然后在有交叠鳍的鳍线中传输的准TEM模传输到微带线上。设计的鳍线渐变没有采用外加谐振抑制结构，而是通过对鳍线自身结构的调整来实现谐振抑制作用。这种设计不仅简化了鳍线渐变结构，且减小了加工误差，保证了制作精度。

图2 的仿真结果显示：功率合成器的回波损耗在13.5GHz～15.2GHz频率范围内均优于39dB，插入损耗低于0.1dB，四路输出功率幅度不平衡度小于0.1dB，仿真结果满足设计要求。

3 功率合成放大器的设计

3.1 T型功率分配/合成器的设计

T型功率分配/合成器用于实现功率的分配与合成，具有结构紧凑、平衡性好、损耗低、带宽宽、集成度高的优良性能，在实际工程中得到了广泛的应用。

选取T型功率分配/合成器的中心频率为14.125GHz，介质基片为Roger公司的介电常数为εr=2.2，h=0.508mm的聚四氟乙烯板。根据理论计算得到的阻抗值，用ADS软件计算出T型功率分配/合成器的微带线宽，建模仿真并优化，优化后的仿真结果如图3所示。

由图3可知，设计的低损耗T型功率分配/合成器在13.75GHz～14.5GHz频率范围内回波损耗均优于22dB，插入损耗低于0.1dB，仿真结果满足设计要求。

3.2 功率合成放大器的设计

利用上述设计的T型功率分配/合成器结构，将四片Ku频段MMIC芯片进行功率合成，如图4所示。MMIC芯片使用Triquint公司的4W功放芯片，四片4W功放芯片合成理论上可以输出功率16W。考虑到MMIC芯片单片效率较低，为了保证良好的散热性能，将MMIC芯片烧结至钼材料衬底上，再将衬底烧结至一定厚度的金属导热板上，由于金属钼具有良好的导电和导热特性，因此这样的设计为提高芯片的散热能力提供了保障。

图4 的T型功率分配/合成网络和金属鳍线分布在同一介质板的上下两侧，组成一层16W的托盘结构。托盘下方是具有一定厚度的金属导热板，金属导热板中间的挖空部分镶嵌偏置电路，为MMIC芯片提供直流馈电。将WR75波导宽边的中心位置作为4层托盘的对称中心，四层托盘组合后形成等效传输波导，实物如图5所示。

在TE10模式工作条件下，利用波导－微带的过渡结构，将波导传输能量耦合到各层平面微带电路，经过平面电路上的MMIC芯片进行功率放大后，输出端的微带－波导过渡结构将放大后的能量耦合到波导空间内合成输出，从而实现整个波导内的空间功率分配、合成过程。

这种托盘式波导内空间功率合成结构托盘的厚度很小，所以这种结构有利于提高MMIC芯片的规模；又因为在平行于电磁波传播的方向上托盘尺寸受限不严，所以有利于射频电路的设计；同时托盘之间可以放置导热板，有利于热管理。

3.3 功率合成放大器的测试

16片4W MMIC芯片合成后，理想输出功率64W，在环境温度-40℃～+65℃条件下，实测在13.75GHz～14.5GHz频率范围内，输出功率大于46.8W，总合成效率约为78%。Ku频段40W功率放大器P1dB压缩点测试结果如图6所示，小信号增益测试结果如图7所示。

由图6可知，在常温条件下，Ku频段40W功率放大器P1dB压缩点优于47.1dBm，在环境温度-40℃～+65℃条件下，高低温的P1dB压缩点变化范围小于0.6dB，输出功率稳定可靠。

由图7可知，在常温条件下，Ku频段40W功率放大器小信号增益在20dB左右，在环境温度-40℃～+65℃条件下，高低温的增益变化范围在3.5dB以内。

4 结语

提出了一种用于卫星通信的高效率波导内空间功率合成结构，该合成结构具有体积小、重量轻、散热效果好、可靠性高等特点；设计了低损耗T型功率分配/合成器，两者一体化设计制作了波导内空间功率合成放大器，在环境温度-40℃～+65℃条件下，实测在13.75GHz～14.5GHz频率范围内，输出功率大于46.8W。该波导内空间功率合成放大器在Ku频段的卫星通信中具有广阔的应用前景。

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Design of A Spatial Power Combined Amplifier Based on Waveguide

XU YongjieGUO Feng
（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou510663）

finline，spatial power combing，high efficiency，Ku band

TN965·2

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.06.015

2016年12月8日，

2017年1月29日

徐永杰，男，硕士，工程师，研究方向：天线理论与技术、微波电路与系统等。郭锋，女，硕士，工程师，研究方

向：天线理论与技术、微波电路与系统等。

AbstrateIn this paper，a high efficiency spatial power-combining structure for satellite communications is described，The parameters of power-combining structure are simulated and optimized by 3D electromagnetic simulation software.Simulation results show that the return loss is better than 39dB and the insertion loss is better than 0.1dB in the frequency range of 13.5GHz～15.2GHz，and the low loss T type divider/combiner is designed.The power amplifier is fabricated based on both structure.Test results prove that the great 46.8W saturation power is achieved within the band of 13.75GHz～14.5GHz and the power combining-efficiency is more than 78%，higher power combining-efficiency is proved.