一种Ka波段宽带功率合成放大器的设计

杨 强，吴沛涛

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄050051)

0 引言

随着微波工程技术的发展，毫米波已成为军事电子技术发展的主要频段，广泛应用于精确制导、雷达、电子对抗和测量测试等领域［1］。

在诸如毫米波电子对抗等系统中，满足一定输出能力的毫米波功率发射机的工作带宽要求越宽越好。功率放大器作为毫米波发射机的重要部件之一，随着半导体及单片集成电路技术的发展，固态化的应用需求日益强烈。较之传统的电真空器件，半导体固态器件在体积重量、成本与可靠性以及工作带宽等方面有着显著的优越性。然而随着工作频率的上升，特别是在毫米波频段，固态有源器件输出功率相应降低，进而制约了毫米波系统的发展，因此宽带高效率的功率合成器的设计成为毫米波发射系统的重要研究课题［2］。

空间合成技术是目前毫米波功率合成方式的研究热点，常见的合成方式有以下3种:准光及自由空间合成方式［3］、波导及过模波导内空间合成方式［4］、基于波导功分单元或行波式结构的探针阵列合成方式［5］。其中基于波导内的空间合成技术在合成效率、相对带宽以及实现便易性等方面具有较好的特性，受到了广泛关注［6，7］。

1 方案设计

1.1 波导基合成器的工作原理及特性分析

波导内空间合成的基本结构如图1所示，其工作原理可理解为:针对待实现分配/合成功能的准平面单元电路，根据波导TE模与平面微带准TEM模的相关模式过渡原理，对波导进行物理结构上的具体分层处理。常见的实现形式是将波导沿宽边剖分成相同高度的托盘单元，托盘单元组合形成等效传输波导，而托盘表面则作为准平面的微波放大以及功率分配/合成电路的承载体。由于准平面电路多采用微带电路形式，因此这种波导内空间合成器可以理解成一种波导—渐变线—微带的多路等分过渡结构。

在矩形波导物理尺寸以及散热特性允许的条件内，通过扩展托盘的数目，波导内空间合成方式具有良好的功率拓展能力。仿真和试验均表明，采用这种合成方式，合成单元电路的增加对合成效率的影响几乎可以忽略不计。由于合成系统中的各个托盘为相对独立的工作单元，并行工作从而保证在部分单元失效的情况下仍具有良好的系统工作能力。此外，基于槽线和鳍线的设计理论表明［8］，这种功率合成结构具有潜在的良好宽带工作性能，直接引用准平面微波电路作为过渡与合成结构的做法，将使半导体有源器件获得良好的接口方式，从而有利于有源器件性能在现阶段工艺水平下得到最好的发挥。

图1 波导内功率空间合成基本结构形式

然而，由于槽线和鳍线及其变形电路形式的结构特殊性，相关工程计算量与优化设计工作十分繁琐，为精确验证并获得较为理想的电路形式与具体结构，即便采用高性能的微波三维电磁场仿真设计软件，往往仍需要较长的开发周期。此外，为保证预期的设计性能，层分波导和准平面电路的具体实现也对现阶段的加工精度和工艺水平提出了很大的挑战。

1.2 新型波导基合成器的原理、特性及建模

基于波导—鳍线—微带等分过渡原理的空间合成结构关键在于宽带内低损耗对极鳍线结构的实现。1980年A.Beyer和I.Wolff首先提出了单面鳍线与矩形波导之间渐变段的分析方法［9］，为减少分析鳍线波阻抗的分别变化所需的数值优化，即如何将该阻抗分布转换为鳍线的缝隙宽度，A.M.K.Saad和K.Schunemann进而研究并提出了一种新的分析方法［10，11］，即将图2所示的非均匀鳍线划分为一系列渐变长度的均匀段，进而在给定过渡段长度后，选取不同缝隙宽度的轮廓函数，从而计算并实现鳍线结构的轮廓优化。这种分析方法不仅适用于单面和双面鳍线，也适应于对极鳍线［12］。

图2 均匀鳍线与非均匀鳍线结构

采用微波三维仿真软件分别建立并分析均匀与非均匀对极鳍线与波导结构的转换模型，并对比分析不难发现，2种结构均可以实现Ka频段全带宽内的良好过渡，传输特性几乎没有区别。但是，非均匀鳍线不仅建模方便，离散化的模型结构也使得仿真运算速度大幅提高。

为实现全频段内的良好过渡，数值分析与软件仿真表明:均匀对极鳍线的渐变长度最优值应在15 mm左右，而相对均匀对极鳍线，非均匀对极鳍线的渐变部分通过优化设计其长度可缩短近一半，仅为8 mm左右。从工程应用角度看，过渡段长度将直接使得非均匀对极鳍线制备的合成器及功率放大器外形尺寸远远小于均匀对极鳍线的形式。此外，对极鳍线电路在毫米波频段电路的物理实现通常采用复合介质电路板制备，多次制版试验的经验还证明，均匀形式的对极鳍线对加工要求远高于非均匀对极鳍线形式，因而非均匀对极鳍线形式电路的工程实用性更高。

以非均匀对极鳍线作为基本结构，建模并进行优化，设计得到了一种4路的功分—合成结构，仿真模型如图3所示，通过4次阶梯化离散变化段，在Ka全带宽范围内实现了良好的等分过渡效果。

图3 采用非均匀对极鳍线构建的4路合成结构

2 无源合成结构性能测试和分析

基于仿真得到的合成器模型，设计并实现了一种基于阶梯变化形式的对极鳍线合成器，采用Roggers公司介电常数为2.2的RT5880型复合介质制作微波电路基板，装载于铝合金材质波导腔内。采用Agilent N5230A矢量网络分析仪，用双端口校准方式校准仪器，再通过连接波导—同轴转接器，采取直通校准的方式校除去测试转接器的插入损耗后进行S参数测试，实测结果表明该合成结构在26～40 GHz频率范围内背对背插入损耗值小于0.8 dB，端口回波损耗低于-15 dB，如图4所示。

值得指出的是，合成器设计对电路结构以及具体的工艺加工和装配实现问题进行了充分的考虑，保证了良好的容差范围，具有较高的可操作和重复性。

图4 4路合成器背对背性能测试曲线

3 功率合成放大器性能测试和分析

在验证了阶梯变化形式的对极鳍线合成器性能的基础上，采用成熟的微波薄膜混合集成电路工艺，将4片功率放大器芯片装载于合成器内，设计并加工实现了一种工作于Ka全频段的功率合成模块。

模块内部集成有加电/去电时序保护电路;滤波、稳压和分压等电源处理电路，外部供电仅需提供+5 V和-5 V，使用方便。

合成功率放大器的实物外观如图5所示，输入输出接口均为标准波导BJ320法兰，4路合成功率放大器的总体积仅为32 mm×30 mm×24 mm。

图5 功率合成放大器实物外观

对合成功率放大器进行性能测试。采用Agilent N5230A矢量网络分析仪对合成功率放大器进行S参数测试。测试结果表明:在26～40 GHz带宽范围内，功率放大器的线性增益为22±2.25 dB，具有良好的宽带增益平台特性;采用Agilent N1911A功率计对合成功率放大器的功率输出能力进行测试，功率放大器在26～40 GHz带宽范围内线性1 dB压缩点输出能力P-1≥29 dBm，饱和功率输出能力Psat≥30 dBm，合成效率超过85%，显示出理想的宽带功率合成效果。

4 结束语

在分析了波导内空间功率合成特点的基础上，选取阶梯变化形式的对极鳍线进行合成器设计和优化，实现了一种能够工作于Ka全频段的4路合成器;借助合成器宽带、低损耗和较好的系统匹配特性等优点，采用成熟的微波混合集成电路工艺制作了一种新颖的Ka全频段功率放大器。

考虑到该功率放大器体积小、带宽宽和工艺重复实现性较好等优点，若以此作为功率模块单元，并结合其结构与微波性能上的具体特点做进一步相应的腔体功率合成电路设计，将有望开发出具有更高功率输出能力和宽带工作性能的毫米波高功率发射机，从而推动毫米波系统性能和工程化的不断提升。

［1］ 郑 新，李文辉，潘厚忠.雷达发射机技术［M］.北京:电子工业出版社，2006:109-110.

［2］ 薛良金.毫米波工程基础［M］.黑龙江:哈尔滨工业大学出版社，2004:109-114.

［3］ DELISIO M P，YOURK R A.Quasi-Optical and Spatial Power Combining［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2002，50(3):929-936.

［4］ JEONG Jinho，KWON Youngwoo，LEE Sunyoung，et al.1.6-and 3.3-W Power Amplifier Modules at 24 GHz Using Waveguide-based Power-combining Structures［C］∥IEEE Microwave Theory and Techniques，2000，12:2 700-2 708.

［5］ 管玉静，朱海帆，甘体国.Ka波段开槽波导功率合成器研究［C］∥ 深圳:全国微波毫米波会议论文集，2005:1 138-1 141.

［6］ CHANG K，SUN C.Millimeter-wave power combing techniques［J］.IEEE Trans.Microwave Theory Tech，1983，31(2):91-107.

［7］ JIANG Xin，LIU Li，ORTIZ S C，et al.A Slottedwaveguide Power Amplifier for Spatial Power-combining Applications［J］.IEEE Trans.Microwave Theory Tech，2000，48(7):1 142-1 147.

［8］ 王家礼，吴万春.毫米波集成电路的设计及应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，1989:53-88.

［9］ BEYER A，WOFF I.Calculations of the Transmission Properties of Inhomogeneous Fin-lines［C］∥10th European Microwave Conference.Warszaw，1980:322-326.

［10］ SAAD A M K，SCHUNEMANN K.Design of Fin-line Tapers，Transitions and Couplers［C］∥11th European Microwave Conference.Amsterdam，1981:305-308.

［11］ SAAD A M K.Analysis of Fin-line Tapers and Transitions［J］.IEE PROC，1983，130(3):230-235.

［12］陈光仁.鳍线过渡段研究的进展［J］.中国民航学院学报，1988(4):1-6.