黨　章

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

Ku頻段寬帶功率合成放大器設(shè)計(jì)

黨章

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

摘要在常用的微帶兩分支線(xiàn)電橋理論基礎(chǔ)上，通過(guò)類(lèi)似的奇偶模分析法對(duì)具備更寬工作頻帶的微帶三分支線(xiàn)電橋進(jìn)行了理論推導(dǎo)，得到了滿(mǎn)足3 dB耦合條件時(shí)的各分支線(xiàn)特性阻抗計(jì)算公式。借助3D電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS，對(duì)理論計(jì)算初值進(jìn)行了仿真優(yōu)化，最終得到工作帶寬可覆蓋整個(gè)Ku頻段(12～18 GHz)的微帶三分支線(xiàn)3 dB電橋。采用該3 dB電橋背靠背地將2只功放管合成，在13～17 GHz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了輸出功率高于35 W的寬帶功率合成放大器。

關(guān)鍵詞Ku頻段；微帶分支線(xiàn)電橋；寬帶；功率合成；放大器

Broadband Power Combining Amplifier Design in Ku-band

DANG Zhang

(SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology,ChengduSichuan610036,China)

AbstractMicrostrip 90°hybrid ring with three branches,which has wider operating band,is analyzed through even and odd mode method based on normal double-branch bridge,and the formula of each branch's characteristic impedance with hybrid ring 3 dB couplingis derived.The final 90°hybrid ring circuit,which can operate within the whole Ku-band(12~18 GHz),is simulated and optimized by using 3D electromagnetic simulation software HFSS.A broadband power combining amplifier,which has more than 35 W saturated output power covering 13~17 GHz,is designed by using two power MMICs and the final 90°hybrid ring circuits backtoback.

Key wordsKu-band;microstrip 90° hybrid ring;broadband;power combining;amplifier

0引言

功率合成中常用的電路形式包括：雙定向3 dB耦合器[1]、lange電橋、威爾金森功分/合成器以及3 dB分支線(xiàn)電橋等。

Lange電橋[2]具有超寬帶、小尺寸等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于芯片級(jí)功率合成領(lǐng)域。高頻電路中，由于Lange電橋的耦合線(xiàn)寬很窄，通常都是采用薄膜工藝來(lái)制作。但受限于工藝，Lange電橋耦合指間的電連接不太容易通過(guò)空氣橋/介質(zhì)橋?qū)崿F(xiàn)，多數(shù)工程應(yīng)用中采用手工金絲鍵合，帶來(lái)了電路的性能惡化與指標(biāo)離散。

威爾金森功分/合成器[3,4]具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)多級(jí)阻抗變換可實(shí)現(xiàn)更寬的工作帶寬。采用薄膜工藝整體制作的威爾金森功分/合成器，受限于薄膜電阻的功率能力而難以用于大功率合成。外接隔離電阻時(shí)，隨著工作頻率升高，電阻的封裝與裝配將會(huì)給電路的性能與一致性帶來(lái)很大影響，實(shí)際使用時(shí)通常需要長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)試。

分支線(xiàn)電橋[5]電路形式簡(jiǎn)單，常規(guī)印制板工藝即可制作，因此可以與系統(tǒng)中的其它微帶電路整版加工與安裝。此外，通過(guò)選取不同功率能力的吸收端負(fù)載，即可滿(mǎn)足不同功率應(yīng)用場(chǎng)合，且對(duì)電路整體性能影響很小。常用的兩分支電橋相對(duì)工作帶寬有限(典型5%～8%)，可通過(guò)擴(kuò)展分支線(xiàn)數(shù)量來(lái)擴(kuò)寬工作頻帶。

介紹了一種三分支線(xiàn)電橋，并通過(guò)理論分析得到3 dB耦合時(shí)的計(jì)算公式。借助公式計(jì)算與軟件優(yōu)化仿真，設(shè)計(jì)并制作出了工作頻帶可覆蓋12~18 GHz的寬帶3 dB微帶三分支線(xiàn)電橋。最終，采用該3 dB電橋?qū)崿F(xiàn)了2只20 W單管的合成。

1三分支線(xiàn)電橋理論分析

三分支線(xiàn)電橋[6]為四端口器件，具有優(yōu)良的端口駐波特性，其中的直通端與耦合端除了具備較好的隔離度外，相比隔離端還有很好的方向性。與二分支電橋分析方法類(lèi)似，將三分支線(xiàn)電橋等效于如圖1中所示的歸一化導(dǎo)納網(wǎng)絡(luò)。

圖1　三分支線(xiàn)電橋等效模型

把網(wǎng)絡(luò)中各級(jí)單元通過(guò)奇偶模分析法獲得的矩陣級(jí)聯(lián)，最后得到導(dǎo)納網(wǎng)絡(luò)的總奇偶模矩陣為：

(1)

在理想方向性與端口無(wú)反射條件下，必將滿(mǎn)足(a+b)-(c+d)=0。從電橋網(wǎng)絡(luò)矩陣可發(fā)現(xiàn)a=d，故應(yīng)有b=c。因此，通過(guò)總奇偶模矩陣可計(jì)算得到滿(mǎn)足理想方向性和無(wú)反射時(shí)的各臂特性導(dǎo)納間的關(guān)系：

(2)

借鑒二分支電橋網(wǎng)絡(luò)的端口電壓波分析結(jié)論，可得到三分支線(xiàn)電橋的耦合端口耦合度計(jì)算公式為：

(3)

2Ku頻段三分支電橋仿真設(shè)計(jì)

通過(guò)上節(jié)推導(dǎo)出的公式可輕易計(jì)算出50Ω?jìng)鬏斚到y(tǒng)中三分支線(xiàn)電橋各支節(jié)線(xiàn)的特性阻抗，并映射成傳輸線(xiàn)的物理參數(shù)。上述參數(shù)只是針對(duì)中心頻率在理想情況下求出的，若要使電橋在一定的工作頻帶內(nèi)滿(mǎn)足相應(yīng)指標(biāo)，還需要借助仿真軟件對(duì)上述初始值進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)實(shí)際使用情況，選擇微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)，介質(zhì)基板選用Rogers公司的RT/duroid5880，介電常數(shù)2.2，厚度10mil。本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是Ku頻段，并保證盡量寬的工作頻帶用于滿(mǎn)足不同工程應(yīng)用，因此選取15GHz為中心頻率。對(duì)應(yīng)各支節(jié)線(xiàn)的初始特性阻抗與物理參數(shù)如表1所示。

表1　初始參數(shù)

按表1參數(shù)在HFSS中建立的電路仿真模型如圖2所示。參數(shù)優(yōu)化時(shí)，除了盡量保證12～18 GHz頻帶內(nèi)直通端與耦合端幅度一致，還需要將輸入端回波壓低。優(yōu)化過(guò)后的三分支線(xiàn)電橋直通端與耦合端傳輸參數(shù)仿真曲線(xiàn)如圖3所示，直通端與耦合端隔離度，以及輸入端回波系數(shù)如圖4所示。

圖2　微帶三分支線(xiàn)電橋模型

圖3　電橋傳輸參數(shù)仿真

圖4　電橋反射與隔離參數(shù)仿真

從仿真優(yōu)化結(jié)果可知，三分支線(xiàn)電橋相比二分支可大幅度擴(kuò)展工作頻帶，將相對(duì)工作帶寬提高至了40%以上。

3實(shí)物測(cè)試

3.1　Ku頻段三分支電橋測(cè)試

Ku頻段三分支線(xiàn)電橋電路版圖由仿真優(yōu)化結(jié)果直接導(dǎo)出并制作。將加工完成的電路基片通過(guò)鉛錫焊料焊接至測(cè)試臺(tái)上，隔離端口與50 Ω匹配負(fù)載金絲鍵合，其余3個(gè)端口均與K接頭連接。測(cè)試電路如圖5所示，測(cè)試結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖5　Ku頻段三分支線(xiàn)電橋測(cè)試

圖6　電橋傳輸參數(shù)實(shí)測(cè)

圖7　電橋反射與隔離參數(shù)實(shí)測(cè)

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，12～18 GHz頻帶內(nèi)直通端與耦合端的幅度差≤0.8 dB，隔離度≥19 dB，輸入端口回波系數(shù)≤-17 d。與仿真結(jié)果相比，實(shí)測(cè)的耦合與直通參數(shù)略向頻率低端偏移，隔離度與仿真較為一致，反射系數(shù)由于接頭與匹配負(fù)載的誤差有一定的惡化?？傮w而言，實(shí)物測(cè)試與仿真結(jié)果具有較好的一致性。

3.2　Ku頻段合成放大器測(cè)試

將上述的3 dB電橋背靠背使用即構(gòu)成了2路的功率合成電路[7-9]。本設(shè)計(jì)采用2片工作頻率13～17 GHz，輸出功率約20 W的GaN功放單片合成，因此合成電橋隔離端選用了大功率匹配負(fù)載。電路中前置驅(qū)動(dòng)放大器用于將末級(jí)2只管子推至飽和工作狀態(tài)，外圍低頻電路[10]用于控制放大器柵漏加電時(shí)序與電源濾波。制作出的Ku頻段合成放大器如圖8所示，飽和輸出功率指標(biāo)如圖9所示。測(cè)試結(jié)果顯示，功放飽和輸出功率大于35 W，換算得到理論合成效率高于87%。

圖8　Ku頻段功率合成放大器

圖9　放大器飽和輸出功率

4結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種具有寬帶特性的三分支線(xiàn)電橋設(shè)計(jì)方法，并采用結(jié)論公式在Ku頻段設(shè)計(jì)出了可工作于12～18 GHz的寬帶3 dB微帶三分支電橋。最終，使用該電橋作為功率合成電路完成了2只GaN功放單片的合成，在13～17 GHz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了飽和高于35 W的功率輸出，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

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黨章男，( 1983—)，工程師。主要研究方向:微波/毫米波功放技術(shù)。

作者簡(jiǎn)介

收稿日期：2015-05-07

中圖分類(lèi)號(hào)TN72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2015)08-0058-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.16

引用格式：黨章.Ku頻段寬帶功率合成放大器設(shè)計(jì)[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2015,45(8):58-61.