【无线射频电路】-微带Ku波段功率合成电路的设计与应用

----宋停云与您分享--------宋停云与您分享----微带Ku波段功率合成电路的设计与应用随着半导体材料和工艺的不断进展，微波/毫米波功率半导体器件的输出功率量级越来越大，L波段功率晶体管的脉冲功率已达千瓦量级;X波段功率砷化镓场效应管连续波达到几十瓦，脉冲功率达到500W。但限于半导体的物理特性，单个固态器件的输出功率仍是有限的。采纳芯片合成、电路合成及空间合成等功率合成技术将多路固态器件输出功率进行同相叠加，是获得更高输出功率的有效途径之一。

1968年Josenhans最先提出芯片级功率合成的概念。随后，20世纪70年月末期，Rucker先在X波段实现了多芯片的电路功率合成，再将其扩展到40GHz。1999年，KohjiMatsunag、IkuoMiura和Naotakalwata用MMIC多芯片合成技术，通过4个的MMIC设计制作了Ka频段的功放芯片，在26.5～28.5GHz的频率范围内获得了3W的连续波输出功率。

本文开展了基于微带Wilkinson功分器的功率合成电路的讨论，实现了一种Ku波段的1W功率放大器。在卫星通信等应用中，所需的功率放大器的功率量级在数十瓦到数百瓦之间。明显，本文这种功率水平的放大器尚不能直接作为卫星通信等的功率放大器，但可以作为行波管等大功率放大器的驱动器而得到广泛应用。而作为2n路功率合成的基础，本文所涉及的功率合成技术更可以为相关技术领域供应重要的参考价值。

1总体结构与设计目标

本文采纳的功率合成电路的原理框图如图1所示。图1中的WPD1是作为输入功率安排器的一个Wilkinson功分器，而WPD2是作为输出功率合成器的另一个Wilkinson功分器。他们的结构选用了本文首次提出的新型结构，并采纳下面所述的同样的设计方法进行设计。图1中的SPS是Schiffman正交移相器。图1中的TGF2508-SM是Triquint公司的Ku波段功率放大器芯片，其1dB功率压缩点功率为28dBm，小信号增益为25dB，工作带宽为12～17GHz。本文选用该器件作为两路功率合成的基础元件。理论上最高合胜利率为31dBm。本文的设计目标是尽可能利用TGF2508-SM的带宽，实现尽量宽的频带，频带内合成效率大于70%。为了这个目的，Wilkinson功分器和Schiffman正交移相器都必需具备与TGF2508-SM相当的带宽。本文的下属讨论实现了这个目标。

可以计算得出理论合成效率大于90%，满意了上面提出的设计目标。

图5Ku波段双Schiffman移相器模拟结果

4电路装配与测试

分别对上述部件进行了模拟设计以后，我们设计制备了以微带为基础的功率合成电路。本文的微带选择了RTDuriod6002作为基底。制作好以后的电路板如图6所示。基底介电常数2.94，损耗角正切0.0012，板材厚度0.254mm(10mil)。常用的板材除了Rogers公司的RTDuriod5880，6002系列外，还有Arlon公司的DiClad、CuClad、AD等系列。

图6Ku波段双路功率合成电路电路板

配上屏蔽合，并装配上具有SMA接头的微带-同轴连接器后，获得了一个Ku波段放大器。我们对该放大器进行了测试。测试时，放大器被安装在一块散热器上，放大器的输出端接入了一个大功率衰减器，如图7所示。由Agilent8510C矢量网络分析仪测得的放大器的小信号增益如图8所示，图中曲线包含连接于输出端的30dB衰减器，因此实际增益应为图中的图线对应值加上30dB。由图8可知，在13～16GHz之间，放大器的增益大于20dB，且较为平坦。

图7被测放大器及测试装置

图8被测放大器小信号增益

此外，本文用AgilentE8257D信号源和AgilentE4418BEPM功率计相协作，测量了放大器的饱和功率，结果示于表1。表中第2行为放大器饱和功率的实测值，第3行的数据从单片TGF2508-SM芯片的厂方Datasheet数据中猎取，并减去了输出接头的衰减值。第4行的合成效率由第2、3行的数据计算而得。

表1被测放大器饱和功率

5结论

本论文提出并具体讨论了一种新型结构的Wil2kinson功分器。在此基础上，进一步结合双Schiff2man正交移相器和MMIC芯片，设计了Ku波段平衡式功率合成电路。本文还完成电路的加工与装配，获得了一个Ku波段1W级功率放大器，在13～16GHz