Ka频段10 W空间功率合成放大器

王 雷，郭少康，陈冠军

(中国电子科技集团公司第54研究所 卫星通信与广播电视专业部，河北 石家庄 050081)



Ka频段10 W空间功率合成放大器

王 雷，郭少康，陈冠军

(中国电子科技集团公司第54研究所 卫星通信与广播电视专业部，河北 石家庄 050081)

针对传统波导魔T带宽窄的问题，文中提出了一种改进型波导魔T结构。采用波导魔T与波导-微带双探针过渡作为基本功率/合成单元,通过三维电磁仿真软件HFSS进行优化仿真，进而实现高效率的4路功率合成。测试结果表明，在26～31 GHz的频率范围内，1 dB压缩点输出功率>40.6 dBm，合成效率>82%，具有良好的工程应用价值。

Ka频段；波导魔T；双探针；功率合成

随着无线通信技术的发展，对高速、宽带的需求日益增长，C、Ku波段等低频资源变得日益拥挤。而毫米波具有波长短、波束窄、容量大的特点，以其独特的优势被广泛应用于通信、雷达、制导等众多领域中[1]。

功率放大器作为通信系统发射端的关键器件，输出功率的大小直接决定了系统的作用距离、抗干扰能力及通信质量。目前，在毫米波频段受工艺、散热、电路匹配等方面限制，单个固态功率放大器芯片输出功率有限，为了达到更大的输出功率同时兼顾经济考虑，一般都采用功率合成技术[2-6]。在众多的功率合成技术中，特别是在微波等低频段传统的电路合成多采用威尔金森电桥、分支线、Lange耦合等结构，具有结构简单、技术成熟、应用广泛的优点，但是在毫米波频段平面合成损耗较大，合成效率会随着功分/合成网络的级数增加而显著下降。而空间功率合成具有插损小、合成效率高的优点，因此，在毫米波频段大多采用空间功率合成[7-12]。本文提出了一种基于波导魔T的新型、空间功率合成方案，并在此基础上实现了Ka频段10 W的功率输出。

1 功率合成网络的设计

1.1 整体方案设计

图1所示功放模块整体框图，本设计采用了一种改进型波导魔T与波导-微带双探针相结合的四路空间功率合成网络。增益放大器放置在模块的最前端用以提高整个功放模块的增益；驱动放大器用于输出足够的功率来推动末级功放；波导魔T将驱动信号一分为二，每一路又通过波导-微带双探针过渡将信号再分，构成四路功率分配/合成放大器。整个功率合成放大器模块具有结构节凑、效率高、易实现的特点。

图1 整体方案框图

1.2 四路功率合成无源结构设计

传统的波导魔T[11-13]是一个无耗、可逆的四端口网络，可以看做是E-T型结和H-T型结功分器的叠加。从散射矩阵可以看出，波导魔T具有良好的匹配、隔离等特性。

(1)

但在实际工程应用中，普通波导魔T，由于连接处结构的突变，各个端口的反射比较大，实际应用带宽比较窄，在工程应用中受到限制。因此，工程师们通常在普通魔T的连接处加入合适的调节体，将连接处的突变结构调节成渐变结构。比较常用的匹配元件有螺钉、膜片、锥体等。螺钉、膜片调配比较困难且频带较窄；用锥体调配比较容易实现且频带较宽，但是加工精度对其性能影响较大，一致性难以保障。如图2所示，设计了在接头处加入不连续性金属隔板的改进型波导魔T，它能同时匹配E-T分支所需要的容性结构和H-T分支所需要的感性结构，通过调节突变结构处的金属隔板尺寸来调整中心频率和带宽，机加工结构简单。从仿真结果如图3所示，在26～31 GHz的频率范围内，其插入损耗<0.2 dB，回波损耗<-20 dB，两输出端口隔离度优于-15 dB。

图2 改进型波导魔T功分器

图3 改进型波导魔T功分器仿真结果

波导-微带探针过渡原理与微带天线一样，微带线插入波导腔中后，微带线相当于一个电探针，与探针方向相同且具有一定电场强度的波导模将在微带线上激励起电流；根据互易定理，当微带线的准TEM模进入波导时产生的探针电流也会激励起波导模，这样才能保证波导TE10模耦合到微带线的准TEM模中。同时，要保证微带探针与波导短路面的距离为四分之一波导波长，使得波导内未耦合到探针的能量经过波导短路面反射后重新进入探针。波导-微带双探针[14-15]过渡是在单探针的基础上在波导腔中又插入一个微带探针，经过优化仿真，使波导中的能量平均耦合到两个微带探针中。四路功率分配/合成网络无源结构如图4所示，仿真结果如图5所示，从仿真结果可以看出，在26～31 GHz的频率范围内，插入损耗<0.5 dB，回波损耗<-15 dB。

图4 四路功率分配/合成网络

图5 四路功率合成仿真结果

2 Ka频段10 W功率合成放大器实现

2.1 有源部分具体实现

功放末级芯片采用4片TGA4505，驱动放大器采用TGA4509，增益放大器采用AMMC5040，上述几种芯片都需要有正负电源供电，因而在供电时设计了一种时序保护电路，保证在加电时，先上负电，后加正电；掉电时先掉正电，后掉负电。同时，为了实时的监测功放模块的温度、电流，在模块中设计了温度、电流监控电路，通过CAN接口实时的上报给主机，从而更好的保护功放模块因过温，过流而烧毁。

在功率单片装配之前，先将介质基板通过导电胶工艺粘接在腔体上，无源结构测试合格后再进行后续装配，装配过程中应严格按照微组装装配顺序进行单片烧结、金丝键和等操作，装配好的实物如图6所示。

图6 功放模块实物图

图7 功放模块测试结果

2.2 实测结果

为保证最大功率输出，减小因幅相不一致对合成效率的影响，末级四路TGA4505选择同一批次的功放单片。单个TGA4505功率单片功率值无法测试，合成效率根据芯片资料给出的1 dB压缩点输出功率值计算。测试结果如图7所示，在26～31 GHz的频率范围内，1 dB压缩点输出功率>40.6 dBm，合成效率>82%，在国内报道的同类产品中其带宽和合成效率均处于领先水平。在30～31 GHz的频率高端，合成效率下降，分析原因，可能是微组装装配的不一致，相位差值较大，使得功率合成模块在频率高端合成效率下降。

3 结束语

介绍了一种结构新颖的改进型波导魔T和波导-微带双探针相结合的四路功率分配/合成放大器，实现了宽频、高效、大功率的功率输出，且具有温度、电流上报功能。具有构思巧妙、重量轻、可靠性高、调试方便等特点，在26～31 GHz的频率范围内，实现了1 dB压缩点输出功率>10 W的功率输出，合成效率高于82%。要进一步减小合成网络的插入损耗，提高微组

装装配的工艺水平，改善频率高端的合成效率。该模块可作为功率合成的基础模块来实现更大的功率输出，满足Ka频段系统对固态宽频、高功率放大器的需求。

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Design of an Ka-Band 10 W Spatially Power Combined Amplifier

WANG Lei,GUO Shaokang,CHEN Guanjun

(Radio and Television Satellite Communication Unit,China Electronics Technology Group Corporation 54th Research Institute,Shijiazhuang 050081,China)

This paper points out the width of traditional waveguide magic-T and introduces the principle of the waveguide magic-T. Utilizing waveguide magic-T and waveguide to microstripe double probes transform structure as a basic power dividing/combining unit, the proposed passive structure is simulated and optimized by 3D field EM soft HFSS, a 4-way efficacy power combining is achieved. The results show that the mini 1dB output power 40.6dBm can be achieved with more than high efficiency of 82% in Ka band 26GHz-31GHz. which has fairy good engineering application value and prospect.

Ka band; Magic-T; double probes; power combine

2017- 05- 23

王 雷 (1982-)，男，硕士，工程师。研究方向：微波毫米波射频技术。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.043

TN81

A

1007-7820(2017)08-156-03