一种适用于卫星通信发射机的功率合成器设计

刘其强，于 祥，陶辉华

（南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210014）

1 卫星通信发射机

在Ku频段卫星通信系统中，发射机实现对射频信号的功率放大，结合天线增益，使得卫星通信系统的EIRP值达到一定的要求，满足卫星通信链路的使用要求，实现上行链路的信号畅通。

早期发射机设计时，末级功率芯片一般采用GaAs芯片，在Ku频段，GaAs芯片输出功率可以达到数瓦量级。一台上百瓦的发射机，需要几十只、上百只管子合成，从而导致合成路数多，合成效率低，整机可靠性差。受芯片工艺水平限制，功率更高的GaAs芯片未见报道，这限制了大功率固态发射机的发展。

随着GaN芯片技术的进步，越来越多的发射机产品，逐渐使用GaN芯片作为末级功放管使用。目前，国内的GaN功率芯片水平，在Ku频段单芯片连续波输出功率可以做到35 W。考虑到输出功率采样、隔离器等无源器件的损耗，一台Ku频段40 W发射机，需要2只35 W的GaN功率芯片，进行功率合成，其输出功率方能满足使用要求。针对Ku频段卫星通信中40 W发射机的使用要求，本文设计了一种小巧的双路功率合成器，该功率合成器为进一步减少体积，采用了减高波导设计。

2 波导微带转换设计

波导传输线是一种三维立体结构，它的优点是传输损耗低、功率容量大；缺点是体积大、重量大，不便于有源电路集成。微带传输线是一种平面二维结构，它的优点是体积小、重量经，便于有源电路集成；缺点是传输损耗高、功率容量受限、散热差。设计一种过渡产品，能够将电磁波从波导三维立体结构过渡到微带平面二维结构，或者反之，具有现实意义。通过这种过渡，我们设计电路时，可以充分利用两种结构的优点，避开它们的缺点。波导微带转换电路便可以实现这一功能，下面介绍一种波导微带转换电路的设计。

图1 波导微带转换原理图

波导微带转换的原理图如图1所示，它由三部分组成：一个波导功分器，两个波导微带转换。波导功分器实现波导功率分配，波导微带转换实现波导三维立体结构和平面微带二维结构之间的转换。

使用高频电磁仿真软件HFSS，建立了一种常规的波导微带 E面探针转换结构模型[1]，如图 2（a）所示。波导选用标准波导WR75的减高设计，长边尺寸为：19.05 mm，短边尺寸为：5.525 mm。该模型在波导的 E面中心插入微带探针[2]，通过调整微带探针距波导短路面的距离、微带探针插入的深度、微带探针的尺寸等参数，优化端口输入驻波。

图2 （a）转换模型

图2 （b）输入端口驻波曲线

建模时选用10 mil厚度的 RT/duroid5880作为基板材料，选用 Cu作为导带材料。将探针过渡波导的宽度设置为 2.5 mm、高度设置为2 mm；50欧姆微带线的宽度设置为 0.78 mm。将探针的长度设置为参数 L1、宽度设置为参数 W1，将高阻抗线的长度设置为参数 L2、宽度设置为参数 W2，将探针中心到波导短路面的距离设置为参数 S。

在HFSS中，调整各参数值，优化输入端口驻波。如图 2（b）所示，为优化后的输入端口驻波曲线。在频率 12.0 GHz至16.0 GHz的范围内，输入驻波 S11小于-30 dB。该模型在很宽的范围内，能够将电磁波从矩形波导的主模 TE10模过渡到微带线的准 TEM波。

优化后的各参数值如表 1所示。

表1 参数优化值（单位：mm）

3 波导功分器设计

波导功分器采用波导 E面 T型结实现，该型结构较紧凑[3]，本文只针对无源互易网络进行考虑，图3给出了波导 E面T型结的场分布图。波导E面T型结的特性如下：

（1）当信号由公共端口馈入时，信号由两侧壁等幅反相输出。

（2）当两侧壁分别馈入等幅反相信号，两个信号在公共端口叠加输出。

（3）当两侧壁分别馈入等幅同相信号，两个信号在公共端口互相抵消，无输出。

图3 波导E面T型结场分布图

采用HFSS仿真软件，建立波导功分器的T型结仿真模型，优化T型结的凸台参数，得到T型结的初步参数模型。在T型结处添加一个矩形块，用来补偿T型结处的不连续性，通过优化矩形块的长度和宽度，得到最佳的输入端口驻波和功率分配比。T型结的分支波导采用减高波导设计，可以有效的减小功分网络的体积。

结合前面设计的波导微带转换模型，建立波导功分、微带转换组合仿真模型，如图4（a）所示。输入波导选用标准矩形波导WR-75，标准WR75波导的窄边尺寸是9.525 mm。设计时分支波导采用减高波导设计，其窄边尺寸设计为5.525 mm，相比标准波导WR75有效降低窄边尺寸4 mm，约降低到原尺寸的58%。通过微调 T型结和微带转换的各参数值，优化端口输入驻波。得到的仿真结果如图4（b）-4（d）所示。

在频率 12.0 GHz至16.0 GHz的范围内，输入端口驻波小于 -20 dB，如图 4（b）所示；两支路幅度差小于0.06 dB，如图 4（c）所示；两支路的相位差小于 179°，相邻端口相位反相，如图 4（d）所示。

图4 （a）HFSS仿真模型

图4 （b）输入端口驻波曲线

图4 （c）端口幅度曲线

图4 （d）端口相位曲线

根据以上仿真模型，设计了一个背靠背的波导微带功分、波导微带合成的测试夹具。采用波导 E面中间剖开的结构形式，分为下腔和上腔。中间放置微带线，上下腔合到一起，用螺钉固定。

腔体材料选用硬铝合金，表面采用镀镍工艺。印制板材料采用 RO5880，表面镀金工艺。加工装配后的实物如图 5所示。左边是下腔，安装有微带探针；右边是上腔，设计有 3个定位销钉，做精准定位用。上下腔合到一起，使用螺钉固定牢靠，侧面的波导口便是标准的WR75波导，便可以测试。

图5 双路波导微带功分合路器实物图

4 测试分析

搭建测试环境，使用矢量网络分析仪，进口波导二端口校准，测试输入端口驻波和损耗特性曲线。在频率13.75 GHz至14.5 GHz范围内，输入端口驻波小于 -30 dB，插损小于 0.30 dB，如图 6所示。从实测数据中，分析如下：该双路波导微带功率合路器是一种宽带、低差损结构。测试数据和仿真数据进行对比后发现，实测数据和仿真数据较吻合。

图6 输入端口驻波和损耗特性

5 结束语

本文设计了一款卫星通信发射机用 Ku频段双路波导微带功率合路器，在频率13.75 GHz至14.5 GHz范围内，输入驻波小于-30 dB，换算成驻波比小于1.1，插损小于0.30 dB。该设计插损低、频带宽、尺寸小，在卫星通信发射机中，进行功率分配、功率合成，具有很好的实用价值。该合成器通过级联，可以实现4路、8路等多路功率合成，有潜在的优化推广价值。随着 GaN芯片工艺的进步，结合功率合成，固态发射机的输出功率、效率可以做得更好，体积可以做得更小。