波導內空間功率合成放大器的設計

徐永杰 郭鋒

（廣州海格通信集團股份有限公司廣州510663）

波導內空間功率合成放大器的設計

徐永杰 郭鋒

（廣州海格通信集團股份有限公司廣州510663）

提出了一種高效的用于衛星通信的波導內空間功率合成結構，利用三維電磁場仿真軟件建模仿真并優化，在13.5GHz～15.2GHz頻率范圍內回波損耗均優于39dB，插入損耗低于0.1dB，同時設計了低損耗T型功率分配/合成網絡，空間合成結構與T型功率分配/合成網絡一體化設計，最終研制出波導內空間功率合成放大器，實測在13.75GHzGHz～14.5GHz頻率范圍內，輸出功率大于46.8W，總合成效率約為78%。

鰭線；空間功率合成；高效率；Ku頻段

Class NumberTN965·2

1 引言

衛星通信系統的發展日新月異，而高頻大功率功放作為其中的關鍵部件，對其綜合性能的要求也越來越高，不僅要求功放輸出功率大，且還應兼有小型化、低功耗、高可靠性的特點。目前，傳統工藝的Ku頻段單個功率器件輸出功率低，GaN材料的出現，使得Ku頻段單個功率器件的輸出功率達到50 W，但Ku頻段30 W以上的功率器件受限于元器件的禁運。為了滿足衛星通信系統對功率越來越高的要求，多采用功率合成方案。

文獻［1～3］中采用平面型的功率合成方案，結構簡單，加工成本低，但平面電路在Ku頻段損耗較大、效率低，無法滿足高效率和大功率的要求；文獻［4］采用了貼板式波導內空間功率合成結構，將輸入、輸出信號由空間耦合到MMIC芯片上，從而減少了介質損耗，增加了功率附加效率，但這種結構的散熱效果較差，限制了它在實際工程中的應用。文獻［5］采用了托盤式波導內空間功率合成結構，實現了8路功率合成其輸出功率為2.4W，功率增益9dB，合成效率為68%。這種托盤式結構中的每一層托盤可視為一個子陣，托盤的上下、左右四面呈嚴格對稱結構，所以各路傳輸電路一致性易于控制，有利于各路的幅相一致性，且托盤之間的空間允許放置具有一定厚度的導熱板，散熱效果較好。

基于文獻［5～10］的設計思路，本文提出了一種工作在Ku頻段，高效、低損耗的波導內空間功率合成結構，并設計了低損耗T型功率分配/合成器。利用此合成結構和T型功率分配/合成器，制作了Ku頻段40W功率放大器，在環境溫度-40℃～+65℃條件下，實測在13.75GHz～14.5GHz頻率范圍內，輸出功率大于46.8W，總合成效率約為78%。

2 波導內空間功率合成器的設計

鰭線是一種寬帶端射天線，能自然地實現空間波阻抗與傳輸線阻抗之間的變換，可以獲得良好的匹配，因此在空間功率合成器中得到了廣泛的應用。其中功率合成器的核心是鰭線，兩個金屬鰭對稱分布，完成波導傳輸模式TE10模向準TE模的轉換，再通過微帶匹配線變換成TEM模。鰭線的設計關鍵是過渡方向的平滑曲線設計。平滑曲線的選取要使其引入的反射損耗在Ku頻段內最小，并使過渡段物理尺寸盡可能地短。經過分析與實驗可知，最短的過渡段長度可以大于或等于一個波導波長λg，λg按過渡頻段的最低頻率選取。根據Mirshekar［11］等提出的一種余弦平方曲線公式：

另外還包括單指數和雙指數函數曲線，即：

其中L代表過渡長度，b為波導窄邊寬度，s為微帶線寬度。

選取鰭線過渡頻率為13.75GHz，波導為標準WR75波導，介質基片為Roger公司的介電常數為εr=2.2，h=0.508mm的聚四氟乙烯板。根據上述公式，得到對應的函數關系。用電磁仿真軟件CST中的Spline曲線來進行鰭線過渡的設計和優化。設計中充分考慮了鰭線在波導內的裝槽深度對過渡性能產生的影響，經過仿真驗證，隨著頻率的增加，裝槽深度越小，高端頻率性能越好。

基于以上設計，在仿真軟件中建模優化后得到了功率合成器的最終結構，如圖1所示，對應的仿真結果如圖2所示。

由圖1可知，2X4功率合成器包含了四層基板，以WR75波導寬邊的中心位置作為四層基板的對稱中心，以對稱中心將上下基板鏡像放置。在波導到鰭線過渡的始端，鰭線導帶的起始間距為波導的窄邊距離，這樣設計使波導中的信號連續傳輸到鰭線上，能最佳地耦合TE10模。鰭線過渡的兩個金屬鰭組成圓弧漸變段，能將入射的TE10模的電場集中并同時旋轉900，然后在有交疊鰭的鰭線中傳輸的準TEM模傳輸到微帶線上。設計的鰭線漸變沒有采用外加諧振抑制結構，而是通過對鰭線自身結構的調整來實現諧振抑制作用。這種設計不僅簡化了鰭線漸變結構，且減小了加工誤差，保證了制作精度。

圖2 的仿真結果顯示：功率合成器的回波損耗在13.5GHz～15.2GHz頻率范圍內均優于39dB，插入損耗低于0.1dB，四路輸出功率幅度不平衡度小于0.1dB，仿真結果滿足設計要求。

3 功率合成放大器的設計

3.1 T型功率分配/合成器的設計

T型功率分配/合成器用于實現功率的分配與合成，具有結構緊湊、平衡性好、損耗低、帶寬寬、集成度高的優良性能，在實際工程中得到了廣泛的應用。

選取T型功率分配/合成器的中心頻率為14.125GHz，介質基片為Roger公司的介電常數為εr=2.2，h=0.508mm的聚四氟乙烯板。根據理論計算得到的阻抗值，用ADS軟件計算出T型功率分配/合成器的微帶線寬，建模仿真并優化，優化后的仿真結果如圖3所示。

由圖3可知，設計的低損耗T型功率分配/合成器在13.75GHz～14.5GHz頻率范圍內回波損耗均優于22dB，插入損耗低于0.1dB，仿真結果滿足設計要求。

3.2 功率合成放大器的設計

利用上述設計的T型功率分配/合成器結構，將四片Ku頻段MMIC芯片進行功率合成，如圖4所示。MMIC芯片使用Triquint公司的4W功放芯片，四片4W功放芯片合成理論上可以輸出功率16W?？紤]到MMIC芯片單片效率較低，為了保證良好的散熱性能，將MMIC芯片燒結至鉬材料襯底上，再將襯底燒結至一定厚度的金屬導熱板上，由于金屬鉬具有良好的導電和導熱特性，因此這樣的設計為提高芯片的散熱能力提供了保障。

圖4 的T型功率分配/合成網絡和金屬鰭線分布在同一介質板的上下兩側，組成一層16W的托盤結構。托盤下方是具有一定厚度的金屬導熱板，金屬導熱板中間的挖空部分鑲嵌偏置電路，為MMIC芯片提供直流饋電。將WR75波導寬邊的中心位置作為4層托盤的對稱中心，四層托盤組合后形成等效傳輸波導，實物如圖5所示。

在TE10模式工作條件下，利用波導－微帶的過渡結構，將波導傳輸能量耦合到各層平面微帶電路，經過平面電路上的MMIC芯片進行功率放大后，輸出端的微帶－波導過渡結構將放大后的能量耦合到波導空間內合成輸出，從而實現整個波導內的空間功率分配、合成過程。

這種托盤式波導內空間功率合成結構托盤的厚度很小，所以這種結構有利于提高MMIC芯片的規模；又因為在平行于電磁波傳播的方向上托盤尺寸受限不嚴，所以有利于射頻電路的設計；同時托盤之間可以放置導熱板，有利于熱管理。

3.3 功率合成放大器的測試

16片4W MMIC芯片合成后，理想輸出功率64W，在環境溫度-40℃～+65℃條件下，實測在13.75GHz～14.5GHz頻率范圍內，輸出功率大于46.8W，總合成效率約為78%。Ku頻段40W功率放大器P1dB壓縮點測試結果如圖6所示，小信號增益測試結果如圖7所示。

由圖6可知，在常溫條件下，Ku頻段40W功率放大器P1dB壓縮點優于47.1dBm，在環境溫度-40℃～+65℃條件下，高低溫的P1dB壓縮點變化范圍小于0.6dB，輸出功率穩定可靠。

由圖7可知，在常溫條件下，Ku頻段40W功率放大器小信號增益在20dB左右，在環境溫度-40℃～+65℃條件下，高低溫的增益變化范圍在3.5dB以內。

4 結語

提出了一種用于衛星通信的高效率波導內空間功率合成結構，該合成結構具有體積小、重量輕、散熱效果好、可靠性高等特點；設計了低損耗T型功率分配/合成器，兩者一體化設計制作了波導內空間功率合成放大器，在環境溫度-40℃～+65℃條件下，實測在13.75GHz～14.5GHz頻率范圍內，輸出功率大于46.8W。該波導內空間功率合成放大器在Ku頻段的衛星通信中具有廣闊的應用前景。

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Design of A Spatial Power Combined Amplifier Based on Waveguide

XU YongjieGUO Feng
（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou510663）

finline，spatial power combing，high efficiency，Ku band

TN965·2

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.06.015

2016年12月8日，

2017年1月29日

徐永杰，男，碩士，工程師，研究方向：天線理論與技術、微波電路與系統等。郭鋒，女，碩士，工程師，研究方

向：天線理論與技術、微波電路與系統等。

AbstrateIn this paper，a high efficiency spatial power-combining structure for satellite communications is described，The parameters of power-combining structure are simulated and optimized by 3D electromagnetic simulation software.Simulation results show that the return loss is better than 39dB and the insertion loss is better than 0.1dB in the frequency range of 13.5GHz～15.2GHz，and the low loss T type divider/combiner is designed.The power amplifier is fabricated based on both structure.Test results prove that the great 46.8W saturation power is achieved within the band of 13.75GHz～14.5GHz and the power combining-efficiency is more than 78%，higher power combining-efficiency is proved.