微帶Ku波段功率合成電路的設計與應用

隨著半導體材料和工藝的不斷發(fā)展，微波/毫米波功率半導體器件的輸出功率量級越來越大， L 波段功率晶體管的脈沖功率已達千瓦量級; X波段功率砷化鎵場效應管連續(xù)波達到幾十瓦，脈沖功率達到500W。但限于半導體的物理特性，單個固態(tài)器件的輸出功率仍是有限的。采用芯片合成、電路合成及空間合成等功率合成技術(shù)將多路固態(tài)器件輸出功率進行同相疊加，是獲得更高輸出功率的有效途徑之一。

　　1968年Josenhans最先提出芯片級功率合成的概念。隨后， 20世紀70年代末期， Rucker先在X波段實現(xiàn)了多芯片的電路功率合成，再將其擴展到40 GHz。1999年， KohjiMatsunag、IkuoMiura和Naotaka lwata用MM IC多芯片合成技術(shù)，通過4個獨立的MM IC設計制作了Ka頻段的功放芯片，在26. 5～28. 5 GHz的頻率范圍內(nèi)獲得了3 W的連續(xù)波輸出功率。

　　本文開展了基于微帶W ilkinson功分器的功率合成電路的研究，實現(xiàn)了一種Ku波段的1 W 功率放大器。在衛(wèi)星通信等應用中，所需的功率放大器的功率量級在數(shù)十瓦到數(shù)百瓦之間。顯然，本文這種功率水平的放大器尚不能直接作為衛(wèi)星通信等的功率放大器，但可以作為行波管等大功率放大器的驅(qū)動器而得到廣泛應用。而作為2n 路功率合成的基礎(chǔ)，本文所涉及的功率合成技術(shù)更可以為相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域提供重要的參考價值。

　　1　總體結(jié)構(gòu)與設計目標

　　本文采用的功率合成電路的原理框圖如圖1所示。圖1中的WPD1是作為輸入功率分配器的一個Wilkinson功分器，而WPD2是作為輸出功率合成器的另一個W ilkinson功分器。他們的結(jié)構(gòu)選用了本文首次提出的新型結(jié)構(gòu)，并采用下面所述的同樣的設計方法進行設計。圖1中的SPS是Schiffman正交移相器。圖1中的TGF2508 - SM是美國Triquint公司的Ku波段功率放大器芯片，其1 dB功率壓縮點功率為28 dBm，小信號增益為25 dB，工作帶寬為12～17 GHz。本文選用該器件作為兩路功率合成的基礎(chǔ)元件。理論上最高合成功率為31 dBm。本文的設計目標是盡可能利用TGF2508 - SM的帶寬，實現(xiàn)盡量寬的頻帶，頻帶內(nèi)合成效率大于70 %。為了這個目的，Wilkinson功分器和Schiffman正交移相器都必須具備與TGF2508 - SM相當?shù)膸挕１疚牡南聦傺芯繉崿F(xiàn)了這個目標。

圖1　本文實現(xiàn)的功率合成電路的原理框圖

　　2　Wilkinson功分器的改進

　　圖2大體示出了W ilkinson功分器的改進情況。

　　圖2a是Wilkinson功分器的基本形式，由于兩個輸出端之間需連接一個隔離電阻，而這個電阻的體積很小，因此要求電路中的兩段λ/4傳輸線之間的距離很近，造成相互之間的耦合，從而影響電路的帶寬性質(zhì)。由于基本形式的W ilkinson功分器的這些固有缺點，它在工作高于X頻段的頻率時，帶寬等性能已經(jīng)不能滿足要求。圖2b所示的改進型就是為避免基本型的上述缺點而提出的，但是，同樣由于隔離電阻的原因，其兩個輸出端口之間的距離依然很近，不能避免相互之間的耦合。圖2c所示的電路克服了上述缺點，但由于引入了更長的傳輸線段，因此帶寬性能有所下降。

圖2　WPD結(jié)構(gòu)的演變

　　本文把圖2b所示電路改進為圖3a所示的電路。

　　從而克服了上述基本型和改進型的上述缺點，同時保留了較好的寬帶特性。該電路的微帶布局如圖3b所示。本文用ADS對上述電路進行模擬的結(jié)果示于圖4，結(jié)果表明該電路在12～18 GHz內(nèi)具有良好的3 dB分工器性能，滿足了上面提出的設計目標。

圖3　本文采用的Wilkinson功分器的原理圖及微帶結(jié)構(gòu)