方案概述

摘要：波導(dǎo)功率合成技術(shù)可有效解決單個(gè)功率放大器芯片輸出功率有限的問題，在工程中應(yīng)用廣泛。針對(duì)Ku波段衛(wèi)星通信發(fā)射機(jī)的高功率要求，提出一種基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、集成波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換的功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)選用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)WR-62，將波導(dǎo)功分/合成器、波導(dǎo)E面微帶探針以及MMIC芯片進(jìn)行級(jí)聯(lián)，將兩個(gè)輸出功率為45dBm（31.6W）的MMIC芯片進(jìn)行功率合成，借助HFSS三維電磁仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，在發(fā)射頻段13.75-14.5GHz范圍內(nèi)，最大輸出功率可達(dá)47.5dBm(56.2W)，合成效率可達(dá)89％，最大功率附加效率33％，IM3≤-30dBc。

應(yīng)用背景

1.衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無線電波，在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行通信。衛(wèi)星通信在軍事和民事領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，電視廣播、海事衛(wèi)星、遠(yuǎn)程衛(wèi)星通信方面均大有作為，而且作為防災(zāi)、救災(zāi)、處理突發(fā)事件的應(yīng)急通訊手段，衛(wèi)星通信擁有其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

2.Ku波段由于具有信息容量大、帶寬寬，保密性好等特點(diǎn)，作為一種新型衛(wèi)星通信方式，目前已經(jīng)在高速衛(wèi)星通信、寬帶數(shù)字傳輸、個(gè)人衛(wèi)星通信方面廣泛應(yīng)用。Ku頻段大功率功放是Ku頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)中的必不可少的核心部件，高EIRP和雨衰的現(xiàn)實(shí)都對(duì)Ku頻段的功放提出很高要求。

同時(shí)，受限于整體方案的體積、重量、功耗等要求，為了獲得更大的輸出功率，常常需要采用波導(dǎo)空間功率合成的方法將多個(gè)功率器件集成在一個(gè)功率合成放大器中，一方面減小功率合成的體積，降低發(fā)射機(jī)的重量，另一方面實(shí)現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，提高設(shè)備的可靠性和可維修性。

仿真分析、展示

1.三維電磁仿真建模

波導(dǎo)功率合成方案主要是由寬帶波導(dǎo)E-T分支功分/合成器、波導(dǎo)E面微帶探針、MMIC芯片連接微帶，這三部分組成。

2.波導(dǎo)E-T分支功分/合成器三維電磁仿真建模

波導(dǎo)E-T分支功分器屬于T型結(jié)功率分配囂的一種，由于其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、應(yīng)用靈活，是微波工程中常用的三端口元件。

在T型結(jié)處會(huì)產(chǎn)生電磁波的不連續(xù)，同時(shí)伴有雜散場(chǎng)或高階模，造成端口駐波的惡化，通常采用突臺(tái)的形式，添加在T型結(jié)的公共端口上，用來抑制雜散場(chǎng)或高階模，改善端口的駐波。

3.波導(dǎo)E面微帶探針、MMIC芯片連接微帶三維電磁仿真建模

1）波導(dǎo)微帶探針具有結(jié)構(gòu)緊湊、容差好等特點(diǎn)，在微波/毫米波電路中廣泛采用。在波導(dǎo)E面探針結(jié)構(gòu)中，MMIC芯片可以置于波導(dǎo)空間外，安裝不受波導(dǎo)橫截面尺寸限制，能夠?yàn)楣虘B(tài)高功率器件提供良好的散熱通道。

2）由于微帶探針的等效輸入阻抗成容性，并且探針的寬度越寬，等效的電容效應(yīng)越強(qiáng)，所以在設(shè)計(jì)波導(dǎo)E面微帶探針時(shí)，需要設(shè)計(jì)一段成感性的高阻抗線來抵消電容效應(yīng)。

4.MMIC芯片連接微帶三維電磁仿真建模

1）MMIC芯片連接微帶用來和功率芯片通過鍵合金絲連接，為防止功率芯片加電后自激，需要對(duì)MMIC芯片連接微帶的屏蔽腔體進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。屏蔽腔體可能會(huì)產(chǎn)生寄生模式，當(dāng)寄生模式的頻率范圍覆蓋腔體的諧振頻率時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生腔體諧振，進(jìn)而造成功率芯片的自激震蕩。

2）波導(dǎo)E面微帶探針和MMIC芯片連接微帶采用介質(zhì)基片型號(hào)為Rogers 5880，厚度0.254mm，介質(zhì)基片的相對(duì)介電常數(shù)為2.2。

5.Ku波段衛(wèi)星通信50W波導(dǎo)功率合成方案仿真結(jié)果

經(jīng)過HFSS電磁仿真優(yōu)化，Ku波段衛(wèi)星通信50W波導(dǎo)功率合成方案，實(shí)現(xiàn)在12-16GHz范圍內(nèi)，S11≤-15dB，S21≤0.2dB，同時(shí)相位一致性良好。

在發(fā)射頻段13.75-14.5GHz范圍內(nèi)，S11≤-25dB，S21≤0.08dB，滿足設(shè)計(jì)方案的需求。

6.Ku波段衛(wèi)星通信50W波導(dǎo)功率合成三維結(jié)構(gòu)圖

1）50W波導(dǎo)功率合成的結(jié)構(gòu)件分為上下兩個(gè)波導(dǎo)腔體，通過螺釘固定上下盒體，在上盒體設(shè)計(jì)一加電電路板，用來給MMIC芯片加電并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試，加電線通過設(shè)計(jì)的穿孔到達(dá)MMIC芯片。

2）為保證散熱性，結(jié)構(gòu)件采用銅鍍銀，銅具有良好的導(dǎo)熱性能，表面電鍍銀，一方面是保證芯片的燒結(jié)安裝，另一方面減少結(jié)構(gòu)件的表面毛刺，提高微波性能。

3）外形尺寸為39.2*38*33.3mm（不含供電電路板）

7.Ku波段衛(wèi)星通信50W波導(dǎo)功率合成PCB板

8.Ku波段衛(wèi)星通信50W波導(dǎo)功率合成方案成品

9.Ku波段衛(wèi)星通信50W波導(dǎo)功率合成方案測(cè)試結(jié)果

輸出功率VS頻率

增益VS頻率

效率VS頻率（Pin=22dBm）

測(cè)試結(jié)果：在頻段13.75-14.5GHz范圍內(nèi)，飽和輸出功率Psat≥47.5dBm，飽和增益Gp≥22.5dB，功率附加效PAE≥33％，經(jīng)計(jì)算合成效率可達(dá)89％，滿足設(shè)計(jì)使用要求。

小結(jié)

本設(shè)計(jì)主要選用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)WR-62，通過寬帶波導(dǎo)E-T分支功分/合成器、波導(dǎo)E面微帶探針、MMIC芯片連接微帶將兩個(gè)輸出功率為45dBm（31.6W）的MMIC芯片進(jìn)行功率合成，最終實(shí)現(xiàn)在頻段13.75-14.5GHz范圍內(nèi)，飽和輸出功率Psat≥47.5dBm，飽和增益Gp≥22.5dB，功率附加效PAE≥33％，合成效率≥89％的Ku波段衛(wèi)星通信50W波導(dǎo)功率合成方案，該功率合成方案具有輸出功率大、結(jié)構(gòu)簡單、熱沉好并且體積小，可以做為單個(gè)功率合成放大器，也可做為功率模塊使用，易于批量生產(chǎn)，具有廣泛的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

審核編輯：湯梓紅