毫米波300 W脉冲功放的研究

吴小帅

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

随着微波毫米波工程技术的发展，超大功率固态放大器在替代行波管固态化的趋势下得到广泛应用。超大功率固态放大器具有体积小、供电电压低、使用寿命长和维护成本低等特点。但其输出功率有限，为获得更大功率输出，往往需要高效功率合成技术，以实现超大功率输出。

传统的电路合成技术如Wilkinson电桥等，面传输线损耗大，合成效率随合成网络级数增加下降，限制了放大器的数量，无法满足高效率与大功率的要求。因此，空间功率合成技术蓬勃发展，具有代表性的如：准光合成、波导内合成和径向波导合成等。本文提出一种高效波导功率合成技术，应用国产15 W GaN功率单片，采用24路功率合成网络，在毫米波频段实现300 W峰值功率输出。

1 空间波导合成网络研究

1.1 微带波导过渡结构

工作于TEM模的同轴线与矩形波导之间的转换结构多种多样,包括探针和耦合环等，其中探针耦合是一种较为常用转换方式。波导探针耦合电场分布如图1所示，电场有且仅有y方向分量，且相对a边中心对称分布，其模值呈半个正弦函数形式。当探针沿a边中心，平行于波导内电场方向插入时，探针处于电场最强处，耦合最强。

图1 波导探针耦合电场分布示意图

根据上述原理，设计8 mm波段的波导同轴探针耦合结构。通过优化探针直径、长度和与短截面距离，实现低损耗波导-同轴-微带转换，将微波能量从波导转入平面微带电路(或相反)。这一结构可保证MMIC的气密性。使用仿真软件对设计进行仿真验证，仿真模型如图2所示，根据计算结果：波导-同轴-微带转换损耗≤0.05 dB，根据实际制作经验，应用时插入损耗≤0.3 dB。

图2 8 mm波导-同轴-微带转换的仿真模型

1.2 一分八功分网络设计

E面波导T型结通常用做微波、毫米波功率分配/合成器，其结构简单，插入损耗小，是一个典型的三端口无耗互易网络。一般基于E面T型结的波导功分器，类似于不加隔离电阻的微带Wilkinson功分器，某些改进的结构，在T型结中引入电阻膜片，起到隔离电阻的作用，从而实现两分配端口的隔离。而在E面T型结中引入其它调谐元件和匹配端口，构成一种基于E面T型结的四端口网络。通过适当设计，可实现两输出端口间的隔离，且功率能力优于膜片式，并可根据功率需求选择负载。最重要的是引入的微波探针对原E面T型结形式的波导功分器的结构影响很小；实现简便、易加工、装配方便。建立仿真模型，仿真结果显示：在34～37 GHz，波导输入输出端口的回波均<-20 dB，两路输出信号的插损<0.07 dB，幅度不平衡度<0.04 dB，相位差(180±0.2)°，两输出端口可实现一定的隔离特性(20 dB隔离带宽约10%)。一分八波导网络以改进型E面T型功分器(四端口，有隔离)为构成核心，如图3所示。八路分配/合成的的分配端口传输特性仿真结果和输出端口间的隔离特性仿真结果如图4和图5所示。

图3 八路合成的仿真模型

图4 八路分配/合成的的分配端口传输特性仿真结果

图5 八路分配/合成的的输出端口间的隔离特性仿真结果

1.3 一分三波导分支线电桥设计

分支线电桥是一种常用的3 dB正交混合电桥，它主要由输入端、隔离端、直通端以及耦合端共4个端口组成，其中直通端和耦合端作为输出口，且两输出信号存在90°的相位差。其特性是：当所有端口匹配时，由端口1输入的功率在端口2和3之间平分且有90°的相位差，端口4无输出，作为隔离端口。通过调节分支波导的特性阻抗能够使分支波导电桥耦合度满足特定要求(例如3 dB，4.77 dB，6 dB等)。据此，设计仿真了-4.78 dB的电桥，并与3 dB电桥联接，进行了建模仿真，如图6所示。

图6 五分支波导耦合器三功分器仿真模型

仿真结果表明，在34～38 GHz的范围内，各端口的反射损耗以及端口1、4和端口2、3之间的隔离都<-16 dB；在34～38 GHz的范围内，输出端口传输特性与理论值最大偏差<-0.3～0.6 dB，端口间的幅度相差最大0.9 dB；背靠背的仿真结果为：插损<0.5 dB。据此，可实现波导一分三的设计要求。

2 毫米波300 W功放的研制

该功放应用15 W GaN功率单片，采用24路合成，首先设计8路波导功率合成，然后进行3路波导功率合成。在毫米波频段2 GHz带宽内，整体24路波导功率合成网络合成损耗<0.8 dB，合成效率达83%。这种宽带、高效、多路的功率合成网络为毫米波频段合成功放的设计提供了有利条件。原理框图如图8所示。依据以上原理设计、研制，在工作频率为34～36 GHz的2 GHz带宽内，实现合成功放功率输出>300 W，增益50 dB，效率>18%。输出功率和效率实测曲线如图8所示。

图7 功放原理框图

图8 测试结果

3 结束语

本文提出了一种毫米波频段24路空间功率合成网络，合成效率>83%。并创新性的改进E面T型结的波导功分器模型，使之具备较高的路间隔离度，大幅提高功率合成的稳定性。同时提出一分三波导分支线电桥的设计，实现高效奇数三合一功率合成。利用此功分网络研制了毫米波频段24路合成功放，在2 GHz带宽内，实现合成功放功率输出>300 W，增益50 dB，效率>18%。此毫米波合成功放具有带宽宽、效率高、结构紧凑等优点，具有较高的工程应用价值。

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