（电子科学与技术专业论文）毫米波波导功率合成放大器的研制.pdf

a b s t r a ( 了r a b s t r a c t t h eo u t p u tp o w e ro fm i l l i m e t e r - w a v e $ o u i c oi so n eo f 也em a i ni n d i c a t o r si n m i l l i m e t e r - w a v es y s t e m t h el i m i t e do u t p u tp o w e ro fs o l i dp o w e rd e v i c e si s t h e b o t t l e n e c ko fm i l l i m e t e rw a v es y s t e m i no r d e rt oi m p r o v et h eo u t p u tp o w e r , t h ep o w e r c o m b i n a t i o nt e c h n i q u ei sa ne f f e c t i v em e t h o d i nt h i st h e s i s , v a l i o u ss o l i d - s t a t ep o w e rc o m b i n i n gt e c h n i q u e sh a v eb e e ns t u d i e d a n da n a l y z e d ，t h e nt h ew a v e g u i d ep o w e rc o m b i n i n gs t r u c t u r e s a l ee x p l o e r da n d i m p l e n m e n t e da c c o r d i n g t od o m e s t i ca s s e m b l yt e c h n i q u e s t l l ed e t a i l e dw o r ki n c l u d e s ： 1 a n a l y z et h ei m p a c to fa m p l i t u d ea n dp h a s e i np o w e rc o m b i n a t i o nt e c h n i q u e t - h ew a v e g u i d et om i c r o s t r i pt r a n s i t i o ni sd e s i g n e da n du s e di nt h ep o w e rd i v i d e r c o m b i - h e rs t r u c t u r e 2 w eh a v ed e s i g n e dt h r e ek i n d so fm i l l i m e t e r - w a v ew a v e g u i d ep o w e rd i v i d e r c o m b i n e r sd i v i d e r c o m b i n e r s ：m a g i ct e ep o w e rd i v i d e r c o m b i n e r ；t - j u n c t i o np o w e r d i v i d e r c o m b i n e r , t w oc o p p e r sw a v e g u i d et om i c r o s t r i pt r a n s i t i o np o w e rd i v i d e r c o m - b i n e r , t 1 1 e i rm a i nf e a t u r e sa l e 勰b e l o w s ： ( 1 ) m a g i ct e ep o w e rd i v i d e r c o m b i n e r ：b e t w e e n3 2 g h z 3 8 g h z ，t h e r e t u r nl o s si s b e t w e e n2 0 d ba n d5 0 d b t h ei s o l a t i o ni sb e t w e e n3 2 d ba n d5 0 d b ，t h eo u t p u t a m p l i t u d ea n dp h a s ei su n i f o r ma to u t p u tp o r t ( 2 ) t - j u n c t i o np o w e rd i v i d e r c o m b i n e r ：b e t w e e n3 1g h z 3 9 g h z ，t l l er e t u r nl o s si s b e t w e e n2 0 d ba n d4 0 d b t h ei s o l a t i o ni sb e t w e e n5 2 5 d ba n d6 2 5 d b t h eo u t p u t a m p l i t u d ea n dp h a s e i su n i f o r ma to u t p u tp o r t ( 3 ) t w oc o p p e r sw a v e g u i d et om i c r o s t r i pt r a n s i t i o np o w e rd i v i d e r c o m b i n e r ：i n k ab 锄d t 1 1 er e t u r nl o s si sb e t w e e n2 0 d ba n d3 0 d b ，t h e i s o l a t i o ni sb e t w e e n5 3 d ba n d 6 5 d b t h eo u t p u ta m p l i t u d ea n dp h a s ei su n i f o r ma to u t p u tp o r t 4 u s i n ga m m c 5 0 4 0 sf a b r i c a t e db ya g i l e n tc o m p a n ya ss i n g l e - w a ya m p l i f i e r s ， w eh a v ed e s i g n e daf o u r - w a yp o w e rc o m b i n gc i r c u i tw i t haw a v e g u i d ea si n t e r f a c e p o r t s b e t w e e n3 3 g h z - 3 7 g h z ，t h ec o m b i n i n ge f f i c i e n c ye s t i m a t e di sm o r e t h a n7 2 ， t h em o s tm e a s u r e ds a t u r a t e do u t p u tp o w e ri sa b o u t3 2 8 8 5 m wa n dt h em o s tc o m b i n i n g i l a b s t r a c t e f f i c i e n c ye s t i m a t e di s8 2 2 a t3 5 g h z t h er e s u l ti n d i c a t et h a to u rs c h e m ei sp r a c t i e - a la n df e a s i b l ea n di tw i l lo b t a i ne f f i c i e n c yg r e a t e r 、加t l lt h ei m p r o v e m e n to f f a b r i c a t i n g t e c h n o l o g y k e y w o r d s ：m i l l i m e t e r - w a v ep o w e rd i v i d e r c o m b i n e ra m p l i f i e rw a v e g u i d et o m i e r o s t r i pt r a n s i t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：名毫雒l 一日期：巧年多月孑日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 新躲她 日翌：。q ) 年6 月7 日 第一章概述 1 1 毫米波的特点 第一章概述 毫米波是介于微波与红外之间的电磁波，频段是指3 0 0 0 g h z - 3 0 g h z 相应波 长为o 1 - l o m m 1 1 。从频谱上看，毫米波低端总与微波相连，而高端则和红外、 光波相接，因此兼有微波和光波的特性，其主要特点如下【2 】： ( 1 ) 毫米波穿透能力比较强，相比红外和光波来说，毫米波能更好的穿过雨、 烟、雾等介质，而且在穿过等离子体时衰减很小。 ( 2 ) 在毫米波频段，可应用大气中氧分子和水蒸气引起的衰减与频率有关系 这一特点来进行频谱分析，从而达到对无线电波遥控、遥测的目的。另外，在毫 米波频段进行无线电传输，其电磁兼容和抗干扰能力很强，常用于保密通信。 ( 3 ) 毫米波波长短，准光特性好，分辨率强，在对目标进行导航、定位和跟 踪时，其空间上目标的定位精度也就更高。 ( 4 ) 在毫米波频段，由于信道与无线电电子设备的有源器件绝对频率带宽更 宽，其信息的传输能力将会变得更强，尤其是提高了无源无线电定位( 辐射计) 的灵敏性以及有源无线电定位时的距离分辨率。此外，在相参毫米波雷达系统中， 由于多普勒频移的提高，雷达系统可在杂波背景下实现更高的目标速度分辨率和 更佳的目标可观测性。 ( 5 ) 当今，微波频段变得越来越拥挤，毫米波可用频带宽，大大提高了信息 的传输率，在一定程度上缓解了频段拥挤的局面，同时，也为目标识别增加了新 的手段。 毫米波的主要缺点是在大气层中传输时频率选择性吸收和散射比较低频率上 的无线电波更为严重，特别是在大气中存在水凝物和其它不均匀性条件下。因此， 毫米波更使用于短程无线电系统。 1 2 本课题研究背景及意义 电子科技大学硕士学位论文 输出功率的大小一直以来是毫米波系统的一项重要指标，它决定着整个系统 的作用距离和抗干扰能力。传统的行波管、速调管虽然可以获得高功率输出，但 由于其尺寸庞大，重量重，工作电压高( 数十千伏) ，在实际的应用中不方便，缺 乏灵活性。近年来，随着固态器件技术的发展，由于其独特的优势，如：体积小， 重量轻、直流功耗低等优点，在毫米波系统中越来越受人们的亲睐。但是，由于 单个固态器件的输出功率有限，很难直接应用于要求高功率输出的毫米波系统中。 为解决这一瓶颈，可将多个固态器件的输出功率通过功率合成技术来获得高 功率输出。于是，功率合成技术越来越成为人们研究的重点，各种新型的功率分 配合成技术相继提出，验证和应用【3 - 1 0 1 。功率合成方案的好坏将直接决定着整个 毫米波系统的输出功率的高低。 1 3 国内外发展动态 1 9 9 7 年，a a l e x a n i a n 和r a y o r k 在规则矩形波导内制作了2 x 4 的m m i c 功 放阵列，在x 波段实现了2 4 w 的连续波功率输出，合成效率达到6 8 t 1 1 】。 1 9 9 9 年，x i nj i a n g ，l il i u 等人通过在规则波导宽边交叉开槽，采用波导到微 带过渡方式实现了8 路信号的放大，在1 0 g h z 处，放大器小信号增益为1 6 7d b ， 合成效率达到8 8 【1 2 1 。 2 0 0 0 年，j i n h oj e o n g 等人通过波导基功率合成方式，波导到微带过渡采用鳍 线结构形式，应用4 个l w 功率放大单元，在2 4 g h z 附近实现了3 3 w 的连续波 功率输出，合成效率达到8 3 嘣”l 。 2 0 0 3 年，p e n g c h e n gj i a 通过过模同轴波导的功率合成方式，波导到微带过渡 采用鳍线结构形式，应用3 2 个功率放大单元，在6 g h z - - 1 4 g h z 频段内，实现了 4 4w 的连续波功率输出，合成效率为7 5 1 4 1 。 2 0 0 4 年，m e k k ib e l a i d 等人将模式变换技术应用到功率合成，先将t e i o 模 式变换成t e 2 0 模式，t e 2 0 模式再经过四路放大器实现功率放大，在将放大后的 t e 2 0 模式变回到t e l 0 模式输出，在k u 波段实现了大于1w 的连续波功率输出， 合成效率为8 0 【”1 。 2 0 0 5 年，k i m l i e n 等人采用八路环形波导的功率合成方式，在5 9 g h z 6 3 g h z 频段范围内实现了1 2 8 w 的连续波功率输出，线性增益大于4 2 d b 1 6 】。 在国内，南京电子器件研究所和西安空间无线电技术研究所先后分别研制出 2 第一章概述 了c 波段1 9 w 的合成功率放大器与k u 波段1 0 w 功率合成放大器【1 7 】【1 8 】；中电集 团管玉静等人采用开槽波导功率合成方式，在3 4 g h z 3 5 g h z 实现了1 0 w 的连续 波功率输出，合成效率达8 3 以上【1 9 1 。电子科技大学陈昌明等人通过采用双对极 鳍线到微带过渡的结构形式，制作了2 2 波导基功率合成器，在3 2 g h z 3 6 g h z 频带内获得6 w 的最大饱和输出功率，增益波动在1 2 1 d b 左右，带内平均合成效 率为8 2 t 2 0 。 1 4 本论文的主要研究工作 本论文试图去研究合成效率高，损耗低、带宽宽、结构简单的功率合成结构， 测试结果表明，在3 5 g h z 频点处，能获得3 2 8 8 5 m w 的连续波功率输出，合成效 率达到8 2 2 ，从而验证了本论文设计方案的可行性。本论文安排如下： 第一章对毫米波的特点，本课题的研究背景及意义，以及空间功率合成技 术的国内外动态做了简要的描述。 第二章主要描述了功率合成放大器的工作原理，分析了幅度、相位对功分 器合成器的影响，然后对各类功率合成技术进行了简要概述，最后对功率放大器 的主要性能指标做了简单的描述。 第三章首先对波导到微带过渡进行了仿真分析，确定了探针过渡的结构形 式。然后分别对波导魔t 功率分配合成器、t 形结功率分配合成器、双探针波 导到微带过渡功率分配合成器的基本理论进行了分析，并对这三种结构的功率分 配合成器进行了建模与仿真分析，设计出了性能优良的三种功率分配合成器结 构。通过比较分析三种功率分配合成器的优缺点，最后确定了本课题功率分配 合成器的结构形式：t 形结与双探针波导到微带过渡相结合的四路功率分配合成 器方案。 第四章测试了t 形结与双探针波导到微带过渡相结合的四路功率分配合 成器，该无源结构在3 2 g h z 3 7 g h z 范围内插入损耗在1 8 d b 左右，输入端口回 波损耗优于1 0 d b ，其中在3 3 g h z 3 6 g h z 处的插入损耗较小约为1 7 d b ，输入端 1 2 1 回波损耗优于1 5 d b ，带内平均合成效率在8 5 左右。采用a g i l e n t 公司a m m c 5 0 4 0 作为放大单元，制作了波导接口的四路功率合成放大器，在3 3 g h z 3 7 g h z 的工作频带范围内，合成效率大于7 2 ，在3 5 g h z 频点处获得最大的饱和输出功 率为3 2 8 8 5 m w ，最大合成效率为8 2 2 。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章功率合成放大器的有关理论 2 1 功率合成放大器基本原理 功率合成放大器的基本原理可用如图2 1 示意，输入信号经过功率分配器输 出幅度和相位均相等的n 路信号，n 路信号再分别经过功率放大单元将各路信 号放大，最后通过功率合成器把n 路信号再进行合成输出。最终的输出功率可表 示为： p o 。，= ，7xnx 只。， ( 2 一1 ) 其中，r 为合成效率，只。，为单片功率放大器的饱和输出功率。 一 一 m 功 一 一 动 瘟 m 塞 分 一 一 a 口 配 j 芪 苗誉 一 一 图2 - 1 功率合成放大器示意图 这里设从功率分配器出来的第i 路信号的幅度和相位分别为a ，和幺，则 a j = a fe x p ( j o f ) ( 2 2 ) 设功率放大单元传递函数为h ( w ) ，则第f 路信号经过功率放大单元后的输出为： a f = h ( w ) a fe x p ( j o i )( 2 - 3 ) 功率放大单元的输出电压和为： 口= 圻商( w ) 4 ，( 2 4 ) 4 第二章功率合成放大器的有关理论 经过放大后的n 路信号最后经过功率合成器合成输出的幅度为： 口= 、( 日( w ) 4e x p ( j o , ) ) 2 ( 2 - 5 ) yi = l 理想的功率分配合成器，其端口的输出幅度和相位都是一致的，所以： 1 9 l = 吼= 0 3 = = 钆= 0 ( 2 6 ) a l = a 2 = a 3 = = a r = a ( 2 - 7 ) 带入式( 2 5 ) 得到： a o u t ：1 屋( 日( w ) 4 2 ： ) ( 2 - 8 ) e x p ( j s t ) ) h ( w ) f n ae x p ( j 0 = ( 日( w ) 4 2 = yi = l 定义功率合成效率： 功率合成器输出功率 ，= 一 吖 功率放大单元输出功率总和 在理想情况下，合成效率为： 7 7 = ! ! l a 型1 2 1 1 ：2 = 1 。( 2 - 9 ) 由此可见：功率合成不是简单的数字相加而是矢量相加的合成；功率合成不 能提高系统的整体增益，它等于每一路放大单元的增益，但可以提高系统的输出 功率，理想状态下为每一路输出功率的n 倍。 但是，实际情况下功率分配器与合成器的输出幅度和相位都不可能非常准确 的一致，或多或少都存在着一定的偏差，并且还存在着一定的损耗，为研究实际 情况下的合成效果，这里设功率分配器和功率合成器损耗、幅度和相位误差分别 为厶，三。，彳，和只，同时也考虑各放大器的传输函数不相同，则式( 2 5 ) 应写为： 合成效率为： 5 ( 2 一l o ) 电子科技大学硕士学位论文 【日，( w ) ( 彳+ a a ，) e x p ( j ( o + 只) 】2 1 1 = 生r 一= = = _ 1 r 一( 1 一三。) ( 1 一l d ) ( 2 1 1 ) l , j n h f ( w ) 彳i 由式( 2 1 1 ) 可见，在非理想情况下： ( 1 ) 功率分配器与合成器的损耗以及输出幅度和相位的偏差都会影响到最终 合成效率的高低。要想获得高效率的功率输出，要尽可能保证各路信号 的幅度和相位一致，同时减小功率分配器与合成器的损耗。 ( 2 ) 系统的增益不仅受功率放大单元的影响而且还与整个系统的合成效率有 关。 2 2 功率合成网络的效率分析 从前面的分析可知，功率合成网络的合成效率同时受功率合成分配器的输出 幅度、相位以及电路损耗的影响。，下面将具体讨论这些因素影响的理论依据。 2 2 1 电路损耗对合成效率的影响 如图2 2 是二进制功率合成电路的示意刚2 1 1 ，为方便研究电路损耗对合成效 率的影响，这里我们假设各个放大器的工作特性是一样的。 图2 - 2n 级二进制功率合成示意图 对于两路电路合成，假设单路的输出功率为p o s ，单级合成所产生的电路损 耗为l ，则最终单级合成后输出的功率为 2 , 0 d = 2 p o s l - 1 ( 2 - 1 2 ) 对于n 级功率合成来说，一共有2 n 路放大单元，则合成后最终的输出功率为 6 第二章功率合成放大器的有关理论 j o = 2 e o s l - ( 2 1 3 ) 合成效率为： 栌惫玎( 2 - 1 4 ) 从上式可以看出，对于多级功率合成系统，电路损耗一旦很大，合成效率将 会急剧下降。而且在电路损耗一定的情况下，合成的级数越多，其合成效率也会 急剧下降。因此，在功率合成网络中，为获得高合成效率的功率输出，除了设计 出低损耗的功率分配合成网络外，尽可能降低合成的级数也是至关重要的。 2 2 2 幅度、相位对合成效率的影响 如图2 3 所示的两路功率合成放大结构，这里假设功率分配产合成器是完全理 想的，只考虑由于两个放大器的差异而引起的幅度和相位的偏差对合成效率的影 响。 p a l 卜 功 y 功 蜜 盔 分 合 配 成 器卜 嚣 y p a 2 图2 - 3 两路功翠合成放大不恿图 当两个功率放大器的输出幅度和相位完全一致时，功率合成输出的功率是两 功率放大器输出功率之和。但实际应用中，放大单元由于所用功率晶体管的差异 而造成两个放大单元输出幅度和相位产生一定的差异。 这里假设图中两个放大器p a l 和p a 2 的输出功率分别为p 1 和p 2 ，引入的相 位分别为仍，伊，则总输出功率p 为【2 2 】： 1 2 li 尸= 寺( 只) i ( 弓) ic o s ( o ，缈，) ( 2 1 5 ) i - - 1 j = l 下面分别讨论幅度和相位的偏差对合成效率的影响： 7 电子科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 相位一致，幅度存在离散 当仍= 缈：时，式( 2 1 5 ) 可化简为： p = ( 最+ 2 万+ 最) ( 2 1 6 ) 此时，图2 - 3 中两路功率合成放大器的合成效率为： 1 7 = 彘= 丢+ 嫠 陋忉 = 一= 一+ l _ 二 i z - l 。 鼻+ 只 2 舅+ e 、7 当用合成损耗表示时，相应的合成损耗为： = 1 0 l g ，7 ( 招) ( 2 - 1 8 ) 当只= 0 ，最0 ，或只0 ，只= 0 时，合成效率最低，仅为5 0 。当鼻= 最 时合成效率最大，为l 。为能进一步了解只，最离散对合成效率的影响，表2 - 1 列出了一些典型的数据，表中的a p = 10i g ( - 舌- - 2 ) 表2 1幅度离散对合成效率的影响 幅度离散p0 o0 51 o1 52 o2 53 0 ( d b ) 合成效率r ( ) l o o o o9 9 9 1 7 9 9 6 7 0 9 9 2 6 49 8 7 0 39 7 9 9 8 9 7 1 5 9 合成损耗l ( d b )0 0 0 0 0 0 0 40 0 1 40 0 3 20 0 5 70 0 8 8 o 1 2 5 由于在实际的功率合成电路设计中，一般输出的幅度离散都会控制在l d b 以 内，从上表中可以看出，当相位一致时，幅度离散在l d b 以内，其对合成效率的 影响非常小。 ( 2 ) 幅度一致，相位存在离散 当只= 只时，式( 2 1 5 ) 就化简为： p = 鼻 1 + c o s ( 矽l 一矽：) 】 ( 2 - 1 9 ) 此时，对应的合成效率为： 刁= 者= 1 + c o s ( ( 7 1 - - ( 0 2 ) 】( 2 - 2 。) 第二章功率合成放大器的有关理论 当仍= 仍时，合成效率最大，7 。= 1 当缈一伊2 = l8 0 0 时，合成效率最小，r 。i 。= 0 这里也列举出了一些典型的相位离散对合成效率的影响，如表2 - 2 所示，表 中的缈= 仍一伊2 表2 - 2 相位离散对合成效率的影响 相位离散 o 51 0 1 52 0 2 53 0 ( 度) 合成效率7 7 ( ) 1 0 0 0 09 9 8 1 0 9 9 2 4 0 9 8 2 9 6 9 6 9 8 5 9 5 3 1 59 3 3 0 1 合成损耗l ( d b ) o 0 0 00 0 0 80 0 3 3o 0 7 5o 1 3 30 2 0 80 3 0 1 从表2 2 可以看出，当幅度致时，合成效率受相位离散的影响比较大，在 实际的功率合成电路中，由于功率合成放大芯片大多采用多管芯合成，这种合成 一般引入的相位离散常常在十几度到几十度之间。由此可见，相位离散对合成效 率的影响要尤其引起注意。 ( 3 ) 幅度、相位均存在离散 当幅度和相位均有离散存在时，式( 2 1 5 ) 变为： p = ( 暑+ 2 x p l p 2c o s ( 吁a l 一缈2 ) + 只) ( 2 - 2 1 ) 相应的合成效率为： 巧= 彘= 丢+ 豁c o s 慨鸭， 仁2 2 ， 同样，表2 - 3 列举出了一些典型的数据，其中a p = 10l g ( 詈) ，缈= 缈。一伊： 表2 3 幅度、相位均离散对合成效率的影响 a p ( d b ) 0 o o 51 o ( 度) 珂( ) 三( r i b ) r ( ) 三( r i b ) 7 7 ( ) 三( r i b ) o1 0 0 0 00 0 0 09 9 9 1 70 0 0 49 9 6 7 0o 0 1 4 59 9 8 1 00 0 0 89 9 7 2 7o 0 1 29 9 4 1 8 0 0 2 3 9 电子科技大学硕士学位论文 1 09 9 2 4 00 0 3 39 9 1 5 90 0 3 79 8 9 1 60 0 4 7 1 59 8 2 4 60 0 7 59 8 2 1 60 0 7 89 7 9 7 8 0 0 8 9 2 09 0 9 8 50 1 3 3 9 6 9 0 7 0 1 3 69 6 。6 7 50 1 4 7 2 59 5 3 1 50 2 0 89 5 2 4 00 2 1 29 5 0 1 70 2 2 2 3 09 3 3 0 10 3 0 19 3 2 3 00 3 0 49 3 0 1 6o 3 1 4 从表中可以看出，在幅度与相位均存在偏差的情况下，当幅度的偏差在l d b 范围以内时，其合成效率主要受相位离散的影响。相位离散越大，合成效率下降 的越快，由此可见在设计功率合成放大电路时，在保证幅度偏差不大的情况下应 尽可能的去减小相位上的偏差。 2 3 各种功率合成技术简介 功率合成技术在毫米波系统中越来越被广泛应用。通常来说，功率合成技术 主要可以分为：芯片级功率合成，电路级功率合成，空间功率合成以及综合利用 以上技术的混合功率合成。下面将详细介绍这几种合成技术： 2 3 1 芯片级功率合成 芯片级功率合成是一种最基本的功率合成方式，它是将多个有源管芯通过串 联和并联的方式连接在一块，然后在连接到输入输出匹配网络，最终获得较高的 功率输出。这种合成方式的主要缺点是：对于频率要求高的电路来说，其工作波 长将会很短，供功率合成所需的区域变小，这样就会限制用作功率合成的有源管 芯的数量，最终限制了最后的输出功率；另外，由于有源管芯间的间距比较小， 管芯工作所产生的热量不容易散掉，最终也将影响最后的功率输出。因此，芯片 级功率合成的输出功率有限，不适合用于大功率的合成电路中。 2 3 2 电路合成 电路型功率合成是先将信号通过功率分配网络平分成多路信号，多路信号再 经过放大器放大，放大后的信号再通过功率合成网络进行功率合成，最后获得高 功率输出。这种功率合成方式主要优点在于各放大单元相互间的影响比较小，易 l o 第二章功率合成放大器的有关理论 于调试，同时也易于匹配瞄】。目前，电路级功率合成主要可分为谐振式功率合成 与非谐振式功率合成，下面将简单做个介绍： ( 1 ) 谐振式功率合成 谐振式功率合成主要是将多个固态功率放大器的输出功率以耦合的方式耦合 到谐振腔中来达到高功率的输出，这种合成方式的主要优点是由合成路径引起的 损耗小，合成效率比较高；主要缺点是工作频带比较窄，而且随着频率的升高， 腔体尺寸也会变得越来越小，这样将导致用来功率合成的支路数变小，最终限制 了整体的输出功率。另外，腔体所产生的多次模也将会影响输出功率的大小。按 照腔体形状的不同，谐振式功率合成又可分为圆柱形腔体谐振合成以及矩形波导 形腔体谐振合成。 ( 2 ) 非谐振式功率合成 非谐振式功率合成是通过功率分配合成网络器将多个放大单元连接起来来 获得高功率输出。主要特点是：工作带宽决定于功率分配合成网络，合成效率的 高低主要由各路放大单元输出信号的幅度、相位以及功率分配合成网络的插入损 耗共同所决定。按照不同的电路合成方式，非谐振式功率合成又主要可以分为3 d b 电桥功率合成以及链式功率合成两种。 a 3 d b 电桥功率合成 如图2 4 所示为3 d b 电桥用于两路放大合成时的原理框图。此类合成结构 主要优点是结构比较简单，具有一定的带宽，同时也能保证较好的隔离度，其不 足之处就是电路损耗较大。 图2 - 43 d b 电桥功率放大合成原理框图 常见的3 d b 电桥功率分配合成器主要有：3 d b 分支线耦合器、两路w i l k i n s o n 电桥以及环行耦合器等。这里以3 d b 分支线耦合器为例简要叙述其工作原理，图 2 5 所示为3 d b 分支线耦合器结构示意图，工作原理为：当信号从1 端口输入时， 信号从2 、3 端口平分输出，4 端口无信号输出。如果2 、3 端口接匹配放大器， 电子科技大学硕士学位论文 信号将被放大后输出；如果2 、3 端口与外界放大器不相互匹配，则将有部分信号 被反射回来，反射回来的信号在4 端口将被接入的匹配负载所吸收，在1 端口由 于两信号的相位恰好相反而最终相互抵消。 输入 1 隔离 4 输出 2 输出 3 图2 - 53 d b 分支耦合线示意图 b 链式功率合成 链式结构的功率合成通常又被称为非二进制功率合成或者是串行功率合成， 其结构示意图如图2 - 6 所示。图中的第n 路链式分支馈入到合成器的输出端时， 其输出端的功率将增加1 n 倍，另外可根据图中每一级的编号来确定每一级的耦 合度，其对应关系为1 0 1 9 n d b 。该合成方式的主要优点结构灵活，较高的合成效 率以及较好的隔离度，不足之处就是随着耦合器级联的级数越多，损耗会越来越 大，耦合效果也会越来越弱，合成效率会下降的非常快。 p ip i p j p i 2 3 3 空间功率合成 3 0 b4 7 8 0 1 3 10lg n c l b p = n p 图2 - 6 链式合成结构 空间型功率合成方式在毫米波应用中较为广泛，它主要是利用多个功率辐射 单元，以及正确的相位关系来实现功率的叠加。这类合成又可分为准光腔功率合 成以及自由空间波功率合成，准光腔合成技术是将功率放大单元通过不同的结构 1 2 第二章功率合成放大器的有关理论 形式安装于准光腔内进行功率合成；自由空间合成技术是利用天线的辐射与互耦 特性，将各个功率放大单元的输出功率辐射在自由空间中进行功率合成，合成后 的功率可以通过天线接收或直接将合成后的功率定点于高功率需求处。在电路合 成中，功率由有源器件放大后再通过合成器直接耦合到传输线上，而在准光腔合 成与自由空间合成中，功率由有源器件耦合为大直径的导波波束，再通过波束聚 焦到空间功率需求点或转换为波导模式输出。相比电路合成来说，准光腔合成和 自由空间合成有着独特的优势：由于所有功率放大模块处于并联工作状态，其合 成效率将不再受合成器件数量的限制，从而为高功率输出创造了很有利的条件。 在可靠性方面，由于各合成单元为并联关系，相互间的影响很小，当部分功率放 大单元失效时，系统仍能够正常可靠地工作。正因为这些优点，空间功率合成技 术已成为当今一大热点。 2 3 4 混合型功率合成 根据前面的分析，各类功率合成方案都有着各自的优缺点，而混合型功率合 成方案正是结合了各类合成方案优点，做到性能互补，以最经济的代价做到最实 惠的功率合成。通常第一级采用管芯级合成，第二级采用电路合成，若还需要的 话，最后一级采用空间合成。 2 4 功率放大器的主要技术指标 2 4 1 功率增益 不， 考虑两端分别连接源和负载阻抗z s 和z l 的任意二端口网络 s 】，如图2 7 所 z 5 01 q2 l s 1 1s 1 2j v s 放大器 i | 。1b 2 s 2 1s 2 2 图2 7 功率放人器二端口网络示意图 电子科技大学硕士学位论文 向负载方向看，反射系数是： r ，：圣点= 当 ( 2 2 3 ) 。 z 工+ z o 向源方向看，反射系数是； r 。：兰量二生 ( 2 2 4 ) 。 z s + z o 式中，z o 是二端口网络的s 参量所参照的特征阻抗。则放大器的实际功率增益g 定义为耗散在负载z l 的功率与传送到二端1 ：3 网络的输入端功率之比【2 4 1 ，也就是： 强薄鼢) i l f 沼2 5 ，。 ( 1 一l r 抽1 2 一s ： 上1 2 、。 式中 r 加= s - - + 芋兰器 c 2 - 2 6 ， 可用功率增益g a 定义为来自二端1 1 1 网络的可用功率与来自源的可用功率之 l b c 2 4 j ，它是在源与负载均共轭匹配的条件下得到的，即 g = 战 协2 7 ， 式中 r 训嗵z + 黼 协2 8 ， 变换功率增益g t 定义为传送到负载的功率与来自源的可用功率之比【2 4 1 ，它 是放大器在输入端i i ：1 单独实现共轭匹配的特殊情况下的功率增益。按定义可表示 为： g r = 喘者溉肇 协2 9 ， 另一种特殊情况是单向变换功率增益，此时，s 1 2 = 0 ( 或者小到可以忽略) 。 这种非互易特性对大多数实际放大电路是常见的。当s 1 2 = o 时，由式( 2 2 9 ) 可 得： 1 4 第二章功率合成放大器的有关理论 g 矿鹳一 2 4 2 输出功率 ( 2 3 0 ) 毫米波功率放大器的输出功率是关键技术指标，为了达到最大输出功率，需 在功放管的输出功率和跨导之间权衡，并进行工艺优化。在电路设计上，通过准 确的功放管大信号电路模型，按照最高功率性能匹配设计，通常比按最佳增益匹 配设计能获得更高的输出功率。 2 4 2 1 饱和输出功率 当功率放大器的输入功率加大到某一值后，再继续加大输出功率并不改变输 出功率的大小，该输出功率就称为功率放大器的饱和输出功率。 2 4 2 21d b 压缩点输出功率 当输入功率较小时，输出功率与输入关系成比例关系，此增益称为小信号线 性增益，记为g 0 。当输入功率继续增大时，由于放大器的非线性使得增益减小。 当增益比小信号线性增益下降到l d b 时，所对应的输出功率称为l d b 压缩点输出 功率，记为p i d b ，如图2 8 所示。 l o 儡 盏0 屯 、， 苫1 0 o 山 2 0 3 0- 2 01 0ol o( d b m ) 图2 - 8 放大器l d b 压缩点的确定 如果将l d b 压缩点输出功率p l d b 用d b m 表示，则它与相应的输出功率p i n o d b ) 的关系为： 只d 占( d b m ) = g o ( d b ) 一l d b + p i 。( i d 引( d b m ) ( 2 - 3 1 ) 电子科技大学硕士学位论文 p l d b 越大，放大器线性度越高，信号失真越小。 2 4 3 功率效率和功率附加效率 功率放大器的功率效率r ，定义为功率放大器的射频输出功率只w 与供给晶 体管的直流功率只。之比，即 ，7 p = ! 尹 ( 2 3 2 ) 它表示功率放大器把直流功率转换成射频功率的能力。这种定义的不足之处 就是没能实际的反映出功率放大器的放大能力，为能体现这一特点，这里又定义 了功率附加效率，7 。甜： = 警 协3 3 ， 从表达式可以看出，功率附加效率既能反映出直流功率转换为射频功率的能 力，又能反映出放大器射频功率的放大能力。因此功率附加效率是功率放大器的 一个重要参数，如果放大器是电池供电的，那么电池的使用时间近似正比于功率 附加效率。同样重要的是，没有转换为微波能量的功率作为热量耗散掉，必须消 除老保证放大器的可靠性。对于高效率放大器，需要1 0 d b 或更高的单级增益【2 5 】。 2 4 4 稳定性 放大电路要能正常工作，首要条件之一就是要保证放大器在所工作的频段内 稳定，这一点在设计功率放大器时非常重要。如果所设计的放大电路在某一频段 或频点产生了振荡，将导致放大电路只有很少的能量输出，甚至是没有能量输出。 因此，功率放大单片在所设计的频段里是否稳定是首先要考虑的。 对于一个有源的二端网络，其稳定性一般可以分成两类：一类是绝对稳定或 无条件稳定；另一类是潜在不稳定或有条件稳定。所谓绝对稳定是指无论信号源 阻抗z 。和负载阻抗z ，处于何种条件，放大器均能够f 常工作。一个有源网络处 于绝对稳定时必须满足如下条件： 1 6 第二章功率合成放大器的有关理论 足：也曼坐牟缱 1 ( 2 - 3 4 ) 2 i s l 2 s 2 l i i s 。1 2 1 一l s l 2 s ：。l ( 2 - 3 5 ) i s ：1 2 1 一i s ：s ：。i ( 2 - 3 6 ) 其中： l i = i s i t s ：一s 。：j ：。i ( 2 3 7 ) k 称为稳定判别系数，只有同时满足上面的三个条件时才能保证放大器的绝对稳 定，否则就称为潜在不稳定。潜在不稳定的放大器只有当电源和负载阻抗处于某 个范围时才会出现自激振荡，大部分还是能正常工作的。对于处在潜在不稳定状 态下的放大器来说，一般通常使输入和输出匹配电路呈现一定程度的失配来达到 放大器的稳定工作。 2 4 5 增益平坦度 增益平坦度是用来衡量功率放大器在一定频段内增益波动的大小，如图2 - 9 所示，一般用最大增益和最小增益之差a a ( d b ) 来表示。通常一个系统如果对增 益平坦度要求较高的话，一般采用自动增益控制系统来获得一个比较稳定的增益。 2 4 6 驻波系数 g o b ) 图2 - 9 增益平坦度曲线 驻波系数又称为电压驻波比，它等于传输线上腹点电压与节点电压之比，用 来衡量端口匹配性能的好坏。功率放大器输入输出驻波系数般要求小于等于2 ， 1 7 电子科技大学硕士学位论文 放大器输出端口驻波系数如果过大会导致放大器烧毁，所以一般在设计放大器时， 通常有驻波保护措施，常用的驻波保护措施是在放大器输出端加上一个隔离器。 第三章波导功率分配合成器的设计 3 1 设计任务 第三章波导功率分配合成器的设计 根据前面的分析可知，功率分配合成器性能的好坏将直接影响整个功率合成 放大器输出功率的大小。功率分配合成器基本要求如下： ( 1 ) 功率分配合成器的电路损耗要低； ( 2 ) 功率分配合成器的输出幅度和相位的偏差要尽量小，这样才能保证高 效率的功率输出。 ( 3 ) 功率分酉己合成器应当不改变各路放大器的稳定性、可靠性以及信号特 性； ( 4 ) 功率分配合成器的各输出输入端口间要具有一定的隔离度。 ( 5 ) 功率分配合成器的输入输出端( 特别是输入端) 应当具有较低的电压 驻波系数。 本课题设计了三种类型的波导功率分配合成器：波导魔t 功率分配合成器， t - 形结功率分配合成器，双探针耦合功率分配合成器。通过h f s s 高频电磁仿真 软件对这三种结构的功率分配合成器进行了优化仿真与设计，对比分析它们之间 的优缺点，最终确定了t - 形结与双探针耦合相结合的四路功率分配合成网络。 3 2 波导到微带过渡 由于现有的各种毫米波集成系统之间的连接以及毫米波测试系统和器件主要 仍采用金属波导结构，因此，波导到微带过渡结构性能的优劣便成为影响系统特 性的关键因素之一。对过渡装置的基本要求是【1 6 】： ( 1 ) 低传输损耗和高的回波损耗。 ( 2 ) 有足够的工作频带宽度。 ( 3 ) 装卸容易，并具有良好的重复性和一致性。 ( 4 ) 与电路协调设计，便于加工制作。 1 9 电子辩拄大学磺士学位论文 目前，波导到锻带过渡常采用的形式主要有t 鳍线过渡，脊波导过渡，探针 过渡等嘲。微带探针过渡由于其结构简单，插入损耗小，频带范围宽等特点成 为目前应用最为广泛的波导到徽带过渡形式，其结构示意图如图3 - 1 ( a ) ： 习鞋 l 叨蟹 ( a ) 示意图 仿真模型 凰3 - l 波导到微带过渡结构 波导到微带过渡是将微带探针通过波导宽边开孔插入波导腔中，通过一段起 耦合探针作用的微带线把波导中的电场福合到微带中去。矩形波导中距离探针四 分之一波长的短路活塞能保证探针在波导内处于最大电压即电场最强位置的作 用。另外，由于探针过渡具有窖性电抗，一般在探针后面串联一段具有感性电抗 的高阻抗线来消除容性电抗，然后再利用四分之一波长阻抗变换来实现与5 0 欧姆 微带传输线的阻抗匹配。本课题也采用了这种结构形式，这里选用介电常数为2 2 ， 介质损耗角的d u r o i d5 8 8 0 作为介质基片。 通过h f s s 对图中的参数氍，工。，旺，l ：，职，l ，进行优化仿真，最终 得到了比较好的过渡性能，表1 为对应的具体的参数数值，图3 2 为其仿真结