X波段10 W功率合成放大器的设计与实现

2019-01-16薄淑华刘瑜现

无线电工程 2019年2期

薄淑华，刘瑜现，任程

(航天科工集团303所，北京 100074)

0 引言

随着军用通信系统与商用系统的快速发展，对于高效率、宽带、小型化固态功率放大器的需求与日俱增[1]。由于微波单片集成电路固态器件的输出功率有限，广泛使用功率合成技术以获得更大的输出功率[1-3]。功率合成是指通过功率合成网络将多个相同型号的单元功放，以特定的相位关系实现信号叠加，使功率合成放大器的功率输出能力相较于单元功放有明显提升[4-5]。功率合成技术经过多年的发展和改进，可分为芯片式合成、电路式合成、空间功率合成、混合型功率合成及其他形式的功率合成技术[6]。电路式功率合成技术以其成本低、合成功率稳定等特点得到广泛的应用。本文通过改进传统功分器的结构和尺寸，进一步优化功分器的性能，并设计实现了一种平面的4路功率合成网络。该功率合成网路具有较小的差损、良好的相幅一致性，并应用到功率合成放大器的研制中，取得了不错的成效。

1 平面合成技术

本文主要研究的对象为微带形式功率分配/合成网络，首先分析传统的Wilkinson功分器，然后优化功分器的结构和尺寸，使其结构简单、体积小、差损小等优点[7-9]。对改进型Wilkinson功分器进行实物加工及测试，验证新型Wilkinson功分器理论分析的正确性[10-12]。

1.1 介质基片的选取

微带线作为目前最常用的平面型传输线，结构如图1所示，其功率容量主要决定于金属导带宽度[13]，信号传输特性主要与以下参数有关：微带线金属导带宽度W，介质基片厚度H，介质基片的介电常数ε。

图1 微带线结构

由微带线的特性可以知道，介质基片的厚度相同时，介电常数越高，金属导带越窄；当介电常数相同时，介质基片越厚，金属导带越宽[14]。所以，为了使微带线能够承受更大的功率，可以选择介电常数较小的介质基板且适当增加介质基板的厚度，从而使金属导带宽度增加，从而增加其功率容量[15]。本文采用Rogers RT 5880介质基片，其介电常数为2.2，导体材料为铜，导体表面粗糙系数为1 μm，导体厚度30 μm。

1.2 功率合成网络的设计与实现

图2 等分Wilkinson功分器原理

本文设计的功分器实物图和仿真图如图3所示，功分器工作在8.6～9.6 GHz。Wilkinson功分器HFSS的仿真结果和测试结果如图4和图5所示。

图3 等分Wilkinson功分器

图4 Wilkinson功分器仿真结果

图5 Wilkinson功分器测试结果

可以看出在有效的工作频带内功分器的仿真结果和测试结果大致吻合，功分器3个端口的驻波都小于1.5，2个端口的插入损耗都小于3.8 dB，端口隔离度大于28 dB。此结构应用于功率合成时，能够保证良好的信号传输。

在功分器的性能得到验证的前提下，将单个功分器结合微带线进行整体仿真得到2×2的4路功率合成网络的实物图如图6所示。4路功率合成网络HFSS的仿真结果和测试结果如图7和图8所示，可以看出，4路功率合成网络的驻波小于1.35，每一路差损小于0.9，不同通路之间的相位差小于5°，符合功率合成的技术要求。

图6 4路功率合成网路实物

图7 4路功率合成网络仿真结果

图8 4路功率合成网络实测数据

2 4路功率合成放大器的设计和实现

在4路合成网络性能验证的基础上，设计4路合成功率放大器。本文采用Hittite公司的HMC451芯片作为功率驱动放大芯片，工作频率为5～20 GHz，放大器的增益为19 dB，放大器的饱和功率输出21 dBm，端口采用50 Ω方式设计。通过微组装加工方式，并采用金丝键合的工艺实现驱动放大器的性能。本文采用的功率放大器芯片NC31144S-812P5型号放大器芯片，其输出工作频带为8～12 GHz，可以输出4 W左右的连续波信号。本文根据放大器的功能特点设计放大器的匹配和电源电路。最后得到的4路功率合成放大器如图9所示。