Ka频段3W功放的设计与实现

摘 要：本文介绍了一种Ka频段3W功放的研制仿真过程及工程实现。首先，介绍了波导微带转换与微带功分/合路技术，其次，对探针型波导与微带转换及混合环功分/合路进行了设计仿真，最后，采用混合环功分/合路器级联HMC906功放芯片，通过探针转换形式实现3W功放的设计，其增益达到17.8dB，各项测试指标均满足指标需求。

关键词：Ka频段；HMC906；功放芯片；微带功分

中图分类号：TN722.75 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）11-0036-04

Design and Implementation of Ka-band 3W Amplifier

CHEN Xiaozhong，ZHOU Dayu，WANG Pengbo

（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou 510663，China）

Abstract：This paper introduces the simulation process and engineering realization of a Ka band 3W power amplifier. Firstly，Waveguide-microstrip conversion and microstrip power splitting/combining technology are introduced. Secondly，the probe-type Waveguide-microstrip conversion and hybrid-loop power splitting/combining technology are designed and simulated. Finally，the hybrid-loop power divider/combiner cascaded HMC906 power amplifier chip is used to realize the design of 3W power amplifier by means of probe conversion. The gain reaches 17.8dB. All test indexes meet the needs of indicators.

Keywords：Ka-band；HMC906；power amplifier chip；microstrip power divider

0 引 言

随着我国卫星通信技术的不断发展，宽带大数据需求越来越迫切，Ka/Ku频段带宽、频谱资源丰富，有着低频段没有的天然优势，在二代星及派生卫星通信系统上得到广泛的运用[1]。Ka频段功放广泛应用于Ka频段发信机的末端，它将输入信号进行功率的放大，然后进行发射。功放的性能直接影响发射输出功率的大小，其优良的性能指标是卫星通信链路的重要保障。同时Ka频段3W功放可以作为单个功放单元，利用功率合成技术获得更大的功率，为后续大功率发信机做技术储备。

1 主要技术指标

Ka频段3W功放模块的主要性能指标需求如表1所示。

表1 Ka频段3W功放性能指标

2 功放设计方案

Ka频段3W功放主要包括三个部分，即功放单元、功分/合路、波导微带转换。其中，功放单元包括功放芯片电路实现功率的放大[2]；功分/合路包括不同形式的微带功分/合路器实现功率的分配与组合；波导微带转换器实现波导端口和外部SMA接头的电气连接。

目前Ka频段的功放芯片（裸片）中GaAs工艺更成熟、可靠性更高、市场应用较广泛。本文选定HMC906功放芯片进行应用，其性能指标如表2所示。

表2 功放芯片性能指标

通过表2中的数据可以看出，HMC906芯片需要2片HMC906芯片通过微带功率合成的方式来实现3W功率的输出，其功放的结构框如图1所示。

Ka频段3W功放的系统组成为：采用2片HMC906功放芯片，与微带功分/合路进行级联，再通过波导微带转换来实现功放的设计[3]。

3 方案设计与仿真实现

功放芯片采用HMC906芯片，下面将详细叙述波导微带探针转换和微带功分/合路的仿真来实现3W功放的设计。

3.1 波导微带转换

波导微带转换是一种常用的波导转出结构，探针型是最常见的，其结构简单，易于实现。波导中的工作模式为H01波，波导中H01波的能量通过探针的耦合作用在微带上，以此激发TEM波，从而完成能量从波导到微带的转换[4]，其结构如图2所示。

探针放置在波导的宽壁上，内导体深入波导中的距离为D，为了使探针只向一个方向辐射，在左边距离探针L处，放置了短路活塞。假定探针上所激发的高次模可以略去不计，于是微带线上只有TEM波型[5]。

通过对波导微带转换技术的研究，继而对Ka频段波导探针转换器进行仿真设计，以此来验证这种转换的指标性能，其HFSS仿真模型如图3所示。

经过对波导微带转换HFSS模型的仿真得到，该结构回波损耗在-25dB以下，差损小于0.1dB。对图3进行实物加工，如图4（a）所示，图4（b）为测试过程。

从图4可以看出，系统总的插损包括2个直波导测试件、2个波导微带转换和一段直通的微带线（WR28波导同轴转换已进行了波导校准）。通过测试系统总插损趋于0.85dB，预估两个直波导插损为0.15dB，直通微带线的插损约为0.15dB，则设计的单个波导微带转换的插损约为0.275dB，该性能完全符合设计的要求，可以用于该频段的功放模块中。

3.2 微带功分/合路器仿真

微带功分/合路器的设计采用混合环结构，如图5所示。对于混合环而言，由于2和3端口距离1端口的电长度相同，信号从1端口进入则在2、3端口被均匀地分成两个同相分量，若信号从4端口输入，则在端口2和端口3将被等分成两个有180°相位差的分量，而1端口将被隔离[6]。

经过仿真，得到插入损耗、回波损耗及隔离度的结果如图7所示。

从图7（a）中可以看出，混合环的输出端差损在3.3dB左右，回波损耗在-25dB以下，隔离度在25dB以上，仿真所有指标均满足设计要求。

接下来利用矢量网络分析仪对图6中的实物进行测试，得到整个系统的测试插损为1.65dB，包括2个微带波导转换约0.55dB、2个直通测试波导插损约为0.2dB和2个混合环结构的插损，由此可得，混合环结构的插损约为0.45dB。

3.3 Ka频段3W功放测试

在模块仿真完成后，按照图1进行实物安装，根据芯片HMC906器件资料中的增益和P_1dB数据，可以推算出输入功率在10dBm以上才能达到芯片的P_1dB。由于本文使用的高频信号发生器SMF100A在29GHz以上的输出信号的最大值是10dBm，不能满足芯片饱和驱动功率，故在测试单个芯片模块时采用整机作为驱动，并用测试夹具将功放模块的波导测试口转换为标准测试口，芯片的栅压和漏压采用电源板进行供电[8]。整个测试框图如图8所示，测试实物图如图9所示。

该模块实物如图9（b）图所示，（b）图为（a）图中A处的内部结构图。其功放模块P_1dB的测试结果如表3所示。

从表3和表4功放模块的测试结果来看，该功放模块的P_1dB的最小功率为34.3dBm，其系统增益达到17.8dB，在工作频段内增益的波动范围控制在4dB以内，所有设计指标均满足技术指标要求。

4 结 论

Ka频段3W功放设计中波导微带转换采用简单实用的探针形式，微带功分/合路采用隔离性能更优的混合环功分设计，经测试验证其增益、1dB压缩点输出功率、幅频响应和系统功耗等指标均已达到指标要求。

参考文献：

[1] 田伟，张鹏.Ka频段宽带通信卫星系统频轨资源使用研究 [J].中国无线电，2017（1）：28-32.

[2] 孟祥宇.宽带功率放大器的高效率理论和关键技术研究 [D].北京：北京邮电大学，2018.

[3] 许志涛，徐军，王茂琰，等.Ka频段矩形波导——微带转换结构 [J].电子科技大学学报，2013，42（5）：684-687+693.

[4] 王婧倩，孙厚军.Ka波段微带探针型波导微带转换结构 [C]//2005年海峡两岸三地无线科技学术会.2005年海峡两岸三地无线科技学术会论文集.北京：北京理工大学出版社，2005：236-239.

[5] 吴乔.Ka波段六端口直接变频接收机前端及宽频带MIMIC功放的设计 [D].成都：电子科技大学，2008.

[6] 刘成帅，罗勇.基于3路功分器的Ka波段功率分配/合成的研究 [J].电子元件与材料，2014，33（3）：45-48.

[7] 张国强，王洁.一种Ka波段微带-波导转换的设计 [J].火控雷达技术，2014，43（2）：82-85.

[8] 任重，成海峰，徐建华，等.Ka波段三路波导功分器/合路器 [J].电子与封装，2012，12（5）：22-27.

作者简介：陈小忠（1979.03-），男，汉族，四川人，射频天线部主任，工程师，学士学位。研究方向：卫星通信、射频技术；周大瑜（1989.06-），女，汉族，湖北人，微波电路设计师，硕士学位。研究方向：电磁场与微波技术；王鹏博（1993.08-），男，汉族，陕西人，助理射频设计师，硕士学位。研究方向：卫星通信、射频技术。