Ka频段波导内空间功率合成功率放大器设计

卫少卿，陈冠军

(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

目前雷达、电子对抗等领域的电子技术发展日新月异，而大功率放大器作为电子系统中的关键部件，对其综合性能的要求也越来越高[1]。在Ka频段，传统的行波管功放具有驱动电压高、体积大和易老化的缺点[2]，已经不能满足电子系统对功放小型化、高可靠性的要求[3]。

目前采用氮化镓(GaN)材料的Ka频段功放芯片已达到10 W的输出功率[4]，但是由于Ka频段大功率器件禁运的原因，我国在固态功放的研制中还是多采用砷化镓(GaAs)芯片多片合成的方式进行设计[5]。

由于平面合成方式在Ka频段损耗较高[6]，该频段的功率合成通常在波导内进行[7]；同时，为了提高参与合成的芯片密度，尽量缩小合成器体积，波导内空间功率合成技术则成为主流技术途径[8-9]，本文提出了一种Ka频段12路波导内空间功率分配/合成方案，该方案由H面波导内3路功分结构配合2×2鳍线叠层式空间功率分配/合成器组成。利用该12路功率分配/合成网络配合GaAs功放MMIC设计了一种功率放大器[10-11]，该放大器具有结构紧凑、合成效率高的特点。

1 波导内H面3路功分器

根据N路功分器原理[12-13]，N路功分器在N个输出端口阻抗不相同时，输入端耦合至各个输出端口的功率都不相同，通过该基本原理调节输出端口阻抗以及输入输出端口间的匹配，即可获得任意功分比的N路功分器。从N路功分器原理中推导出H面3路功分器电路原理如图1所示。

图1 3路功分器原理

N路功分器为了实现N路等功分，必须使得R1=R2=...=Rn=R。同时为了保证输入阻抗匹配，设功分器输入传输线阻抗为Rs，为了实现阻抗匹配，必须要求Rs=Zin。这里

(1)

本文中的功分器为波导结构，矩形波导传输线在传播TE10波时，其特征阻抗为：

(2)

由式(2)可看出，空气波导的宽边长度确定之后其特征阻抗为一固定值，并联之后并不能实现Rs=Zin，为此必须在每一个支路加入一段阻抗为Rgn的传输线参与匹配。

本文H面3路波导功分器采用该拓扑结构的设计思想进行建模，三维模型如图2所示。

图2 H面3路波导功分器模型

该结构采用WR28标准波导输入，之后将波导宽边扩展，形成一过模波导腔体，该过模波导腔可等效为一段低阻抗传输线。由于波导腔内场分布在输出端口2支路处最强，在两侧输出端口处较弱，为了调节功分比以及使4个端口匹配，在设计中减小输出端口2与过模腔连接部分的波导宽度，并在过模腔内增加4个感性方柱。通过优化可使得该3路功分器的4个端口的阻抗与标准波导阻抗相匹配，并且3个输出端口实现等幅输出。

同时，由于3路功分的传输路径不同，为确保其等相位输出，还需在输出2端口增加一段弯折波导，通过增加传输路径实现相位补偿，以达到等相位输出[14-15]，仿真结果如图3所示。

图3 H面3路波导功分器仿真结果

由图3可以看出，3路功分器在32.8～36.2 GHz带内有着良好的功分幅度平衡度，3路输出功率幅度离散小于0.3 dB，且回波损耗S11小于-20 dB。

同时，由于传输路径的不同导致3个功分支路有一定的相位差，在功放需要的33.5～35.5 GHz带内的相位差小于等于9°，该相位差对功率合成的影响并不明显[16]。

2 2×2鳍线叠层式空间功率分配/合成器

2.1 双对脊鳍线功分器设计

传统的波导—对脊鳍线过渡结构可以实现电磁波从波导的TE10模传输到微带线的准TEM传输的转换，在此基础上将鳍线变为双对脊形式，并将转换后的微带线以功分形式输出即可构成双对脊鳍线功分器。鳍线的基础过渡线采用余弦平方渐变线的形式[17]，其公式为：

(3)

式中，L为过渡线的总长度；b为WR28波导的窄边宽度；W为50 Ω微带线的线宽；z为渐变线的纵向坐标。利用HFSS软件进行建模，在完成过渡的同时对其进行了2路功分，基片嵌入位置为WR28波导宽边中心部位，电路基片采用0.254 mm厚的Rogers RT/duroid 5880介质基片，2路微带线输出端口阻抗为50 Ω。对其进行优化后可得到图4的模型以及图5的仿真结果。

图4 双对脊鳍线功分电路

图5 H面3路波导功分器仿真结果

由图5的S参数仿真曲线可看出此结构在30～38 GHz带内的回波损耗小于-15 dB，2路输出功率幅度不平衡度小于0.1 dB。2路输出端口的相位相差179.59°，符合理论分析中的180°相位差情况。采用该结构进行功率合成时，合成网络是功分网络的镜像应用，2个端口同样相差180°，在背靠背级联时就对功分相位差进行了补偿，从而完成无相位差的功率合成。

2.2 2×2鳍线叠层结构设计

2×2鳍线叠层式空间功率分配/合成器包含了2层双对脊鳍线功分器，将双对脊鳍线基板镜像，并以WR28波导宽边中心位置作为基准面将2个基板对称放置，即可构成2×2鳍线叠层结构的基本形式。在此基础上对微带线参数以及基板位置做统一优化即可实现该2×2叠层功分器[18]。为了使功放MMIC能够接触到波导底面得到良好的散热，将输出带线设计为面朝波导内部的结构，三维模型如图6(a)所示，将其进行背靠背仿真以验证其功率合成效果，模型如图6(b)所示。对其进行仿真的结果如图7所示。

图6 2×2鳍线叠层结构

图7 2×2鳍线叠层结构仿真结果

由仿真结果可看出，2×2鳍线叠层结构功分器有着良好的输出功率一致性，且在31.5～37 GHz频带内的回波损耗低于-20 dB；背靠背结构在31～37 GHz带内回波损耗小于-20 dB，插入损耗小于0.1 dB。

3 功放整体实现

3.1 12路功分/合成器整体仿真

在H面3路波导功分器的每一个波导输出端口上级联一个2×2鳍线叠层功分器即可实现12路功分输出，并对其进行建模及优化仿真。该12路功分器结构如图8(a)所示，仿真结果如图9(a)所示。再取2个同样的12路功分器进行背靠背连接，并对其进行仿真以考察该设计的合成效果，模型结构及仿真结果如图8(b)所示，仿真结果如图9(b)所示。

图8 12路功分/合成器结构

图9 12路功分/合成器仿真结果

由图9可看出，该功分器结构在33.5～35.5 GHz带内的功率幅度离散小于0.4 dB，具有良好的功分幅度一致性；背靠背仿真结果显示该合成结构的S21小于0.4 dB，S11小于-15 dB。由仿真结果可判断，该12路功率分配/合成器具有良好的驻波特性以及传输特性。

3.2 功放整体实现

该功率放大器需要在33.5～35.5 GHz带内实现40 W以上的功率输出。选择Triquint公司的TGA-4517功率放大器芯片作为基础的功放单元。

根据脉冲体制的要求及电源设计[19]，首先将功放的工作条件设定在工作占空比5%、工作脉宽10 μs、漏极工作电压VD=6.3 V，栅极工作电压VG=-0.6 V 。在此条件下测定该芯片在33.5～35.5 GHz的饱和输出功率最小点出现在33.8 GHz处，为36.5 dBm(约4.5 W)，如图10所示。

图10 TGA-4517单片饱和输出功率测试结果

采用该芯片配合上面描述的12路功率分配/合成器进行了功放的整体设计及加工，2×2叠层鳍线模块实物如图11(a)所示，功放整体如图11(b)所示。

图11 波导内空间功率合成功率放大器实物

对该功放进行输出功率测试，测试结果如图12所示。

图12 12路功率放大器整体输出功率测试结果

由图12可以看出，通过本文设计出的12路波导内空间功率合成放大器在33.5～35.5 GHz 带内最大输出功率为47.1 dBm，约为51.3 W；带内最小输出功率出现在35.5 GHz频率点，此时的输出功率为46.5 dBm，约为45 W。

配合图10中测出的单芯片输出功率可以计算出，该功放在33.5～35.5 GHz带内合成效率最高在33.7 GHz处，为85.3%；合成效率最低在35.5 GHz处，为79.6%。

4 结束语

本文介绍了一种H面3路波导功率分配/合成器和一种2×2鳍线叠层式空间功率分配/合成器，并在此基础上构建了一种12路空间功率分配/合成器。采用该功率分配/合成器将12片功率约为4.5 W的芯片进行了功率合成，在33.5～35.5 GHz带内实现了大于45 W的总功率输出，合成效率大于79.6%。提出的非二进制(2n)功率分配/合成网络，具有结构紧凑、插入损耗低和输入输出端口驻波好等优点。

Ka频段卫星通信系统的地面站上行频率为29～31 GHz，与本文的设计频率较为接近，同时二者均采用WR28波导，本文设计的12路波导功率分配/合成器在参数稍作调整的前提下即可应用于卫通功放，该结构还可应用于Ka频段的多种功率放大器的设计。

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