方案概述

摘要：波導功率合成技術(shù)可有效解決單個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Ku波段衛(wèi)星通信發(fā)射機的高功率要求，提出一種基于波導結(jié)構(gòu)、集成波導-微帶轉(zhuǎn)換的功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計選用標準矩形波導WR-62，將波導功分/合成器、波導E面微帶探針以及MMIC芯片進行級聯(lián)，將兩個輸出功率為45dBm（31.6W）的MMIC芯片進行功率合成，借助HFSS三維電磁仿真軟件進行設(shè)計優(yōu)化，在發(fā)射頻段13.75-14.5GHz范圍內(nèi)，最大輸出功率可達47.5dBm(56.2W)，合成效率可達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，在兩個或多個地球站之間進行通信。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厚的優(yōu)勢。

2.Ku波段由于具有信息容量大、帶寬寬，保密性好等特點，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)射機中的必不可少的核心部件，高EIRP和雨衰的現(xiàn)實都對Ku頻段的功放提出很高要求。

同時，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，常常需要采用波導空間功率合成的方法將多個功率器件集成在一個功率合成放大器中，一方面減小功率合成的體積，降低發(fā)射機的重量，另一方面實現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路，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

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

2.波導E-T分支功分/合成器三維電磁仿真建模

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

3.波導E面微帶探針、MMIC芯片連接微帶三維電磁仿真建模

1）波導微帶探針具有結(jié)構(gòu)緊湊、容差好等特點，在微波/毫米波電路中廣泛采用。在波導E面探針結(jié)構(gòu)中，MMIC芯片可以置于波導空間外，安裝不受波導橫截面尺寸限制，能夠為固態(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，所以在設(shè)計波導E面微帶探針時，需要設(shè)計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MMIC芯片連接微帶的屏蔽腔體進行仿真設(shè)計。屏蔽腔體可能會產(chǎn)生寄生模式，當寄生模式的頻率范圍覆蓋腔體的諧振頻率時，就會產(chǎn)生腔體諧振，進而造成功率芯片的自激震蕩。

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

5.Ku波段衛(wèi)星通信50W波導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波導功率合成方案，實現(xiàn)在12-16GHz范圍內(nèi)，S11≤-15dB，S21≤0.2dB，同時相位一致性良好。

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

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

1）50W波導功率合成的結(jié)構(gòu)件分為上下兩個波導腔體，通過螺釘固定上下盒體，在上盒體設(shè)計一加電電路板，用來給MMIC芯片加電并進行相應(yīng)的調(diào)試，加電線通過設(shè)計的穿孔到達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波導功率合成PCB板

8.Ku波段衛(wèi)星通信50W波導功率合成方案成品

9.Ku波段衛(wèi)星通信50W波導功率合成方案測試結(jié)果

輸出功率VS頻率

增益VS頻率

效率VS頻率（Pin=22dBm）

測試結(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)計算合成效率可達89％，滿足設(shè)計使用要求。

小結(jié)

本設(shè)計主要選用標準矩形波導WR-62，通過寬帶波導E-T分支功分/合成器、波導E面微帶探針、MMIC芯片連接微帶將兩個輸出功率為45dBm（31.6W）的MMIC芯片進行功率合成，最終實現(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)，具有廣泛的實際工程應(yīng)用價值。

審核編輯：湯梓紅