Ka波段100W固态功率合成器

第10卷第9期Ka 波段100W 固态功率合成器

徐建华，蔡　昱，汪珍胜，钱兴成

（南京电子器件研究所，南京 210016）

摘　要：随着科技发展，对大功率的需求越来越高，但是单个固态功率放大器输出功率有限，功率合成技术应运而生。文章介绍了一种利用波导实现Ka 波段芯片级功率合成的方法。首先介绍了两路波导功率合成器的模型，分析了影响功率合成效率的因素，推导出合成效率最大化的条件。然后借助HFSS 软件进行仿真优化，依托精密机加工技术制作出来的波导功率合成器可以在4GHz 带宽内VSWR ＜1.5，LOSS ＜0.5dB 。合成的基本单元3W 模块由两个1.8W 的MMIC 通过Lange 桥合成，在装入壳体合成之前单独调试，确保功率相等，相位一致。最后采用该合路器在35GHz~35.4GHz 的工作频率内成功获得100W 的合成功率，合成效率达85％以上，测试数据和模拟数据基本吻合。关键词：功率合成器；波导；固态功率放大器

中图分类号：TN73 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2010）09-0005-03

Ka-band 100W Solid Power Combiner

XU Jian-hua, CAI Y u, W ANG Zhen-sheng, QIAN Xing-cheng （Nanjing Electronic Devices Institute, Nanjing 210016, China ）

Abstract: Waveguide combiner has good efficiency, which is suitable for high power and high frequency combining especially.A method of Ka-band power combining using waveguide is proposed and studied in this paper. First, a prototype 2-way waveguide combiner is presented. Some factors effecting the power combining efficiency are discussed., and the max efficiency and its condition are deduced.We use HFSS to simulate, then machining the waveguide combiner by exact process. Its VSWR ＜1.5, LOSS ＜0.5dB over 4GHz bandwidth.The 3W module is combined by two 1.8W MMICs using Lange combiner. Debuging befor assembling respectively.Insure they have equivalent power outputs and phases. Measured results show a good agreement with simu-lated ones. Output of over 100W and combining efficiency of over 85% is achieved in the band of operating frequency 35GHz ~35.4GHz.

Key words:power combiner; waveguide; solid power amplifier

收稿日期：2010-06-06

封 装 、 组 装 与 测 试

第10卷，第9期V ol ．10，No ．9

电子与封装

ELECTRONICS & PACKAGING

总　第89期2010年9月

1 引言

随着半导体材料和制造工艺的进步，人们在固态微波器件领域取得了突飞猛进的进展，做到在小功率领域全部取代了电真空器件，但是在大功率领域固态器件比电真空器件功率相差约3~4个数量级

左右，这使得固态微波功率器件在大功率领域的使

用受到了限制，而固态功率合成技术可以使固态发射机的功率提高2~3个数量级。

相对于传统电真空发射机，固态发射机具有寿命长、易获得长脉冲宽度、工作电压低、不需要预热时间等优点。固态发射机可完成功率放大、对射频信号进行脉冲调制、高电压隔离变换及过压、过

电子与封装第10卷第9期

热等多种保护功能。

功率合成是指把若干相关工作的器件合成或者

通过累加若干分立器件，以产生较大的功率输出。

合成方式按电路可分为谐振腔式合成和非谐振腔式

合成，非谐振腔式合成包括威尔金森合成、Lange桥

合成、径向线合成；按空间合成方式可分为准光功

率合成、自由空间功率合成、波导内空间功率合成，

其他合成方式有介质波导合成、推挽合成、谐振帽

合成、分布电路合成、谐波合成等。本文介绍的是

波导空间合成。

2 功率放大器设计

2.1 功率放大器功率合成方案

8路波导功分、功合器将8个16W功放模块合成大于100W的输出功率，图1是Ka波段功率放大器原理框图，其中16W功放模块是由Lange桥和4路功合器将8路3W模块功合而成，图2是16W功率模块合成原理框图。

图1 Ka波段功率放大器原理框图

图2 16W功率模块合成原理框图

图3 E面波导两合成器示意图图4 合成器网络散射参数示意图

该方案的优点在于微带二合成的3W模块体积小、结构简单、各模块可以在调试至功率、相位一致后装入腔体，总体调试方便，模块的热量能通过安装面较好地传导到固放的侧壁上。缺点主要在于3W模块采用的微带合成效率不高；E面8路波导分路（合路）器的体积大，加工精度要求高；模块数量较多，装配工作量大且要求较高。

2.2 8路波导合成器的设计

波导合成器是空间功率合成的一种，它有E面合成和H面合成两种形式，本文介绍的8路波导功合器均采用E面合成方式，图3是E面波导两合成器示意图。为分析各个参数对合成功率的影响，对合路器建立三端口散射矩阵，a表示输入功率波，b表示发射功率波，图4给出合成器网络散射参数示意图。

在信号源1和源2同频率下，合成网路特性为

（1）

在理想状态下，信号源与负载完全匹配，合成器的输出功率为：

b

3

=S

31

a

1

+S

32

a

2

+S

33

a

3

（2）

当a

3

=0时，则有：

b

3

=S

31

a

1

+S

32

a

2

（3）

定义a

1

=A

1

e jβ1，a

2

=A

2

e jβ2，S

31

=C

1

e jψ1，S

32

=C

2

e jψ2，则合成器输出信号可以表示为：

b

3

=S

31

a

1

+S

32

a

2

=C

1

A

1

e j（β1＋ψ1）+ C

2

A

2

e j（β2＋ψ2） （4）

由以上表达式可以看出，合成器输出功率的大小取决于输入信号的幅度和相位以及合路器散射矩阵中各元素的幅度和相位，当波导合路器一旦制成，调整其各项参数比较困难，散射矩阵就已确定，只能通过控制输入信号的幅度和相位达到输出功率的最大化，图5给出了实际制作的Ka波段8路波导合路器的照片。

3 测试结果

3.1 8路功率合成器测试