W波段功率分配器及应用

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        1  引言

        现代的毫米波系统中，对固态电路的输出功率要求越来越高，提高输出功率的基本技术就是功率合成，即通过组合若干个相干工作单元,或者通过叠加多个分离电路功率的方法，获取更大的输出功率。目前,毫米波功率合成技术大致可以划分为4类：芯片级合成、电路合成、空间合成、以及多级合成的方法。
         
        功率分配器是功率合成电路的重要组成部分，它的作用是将输入功率分成相等或不相等的几路功率输出的一种多端口微波网络。在微波系统中, 需要将发射功率按一定的比例分配到各发射单元, 如相控阵雷达等, 因此功分器在微波系统中有着广泛的应用。它的性能好坏直接影响到整个系统能量的分配、合成效率。
         
        图1所示为3dB电桥功率合成基本单元电路。
        基于毫米波固态功率合成技术研究,本文首先提出了一种新型W频段低损耗3dB微带集成电桥,并对以此电桥为基本构架的毫米波功率合成网络进行了相关讨论。
         

       

        图1  3dB电桥功率分配-合成基本单元

         
        2  3dB电桥选取

        目前，毫米波集成电路中广泛采用的电桥主要包括：分支线电桥、环形电桥( rat-race hybrid)、Wilkinson电桥、Lange电桥等。分支线电桥只能用于低频率情况,当微带线宽和工作波长处于同一数量级时,其性能会很差。 Lange电桥是通过耦合的方法来进行功率分配,适合进行功率不等分分配，当要获得某些特定的耦合度时,耦合微带间的间隔非常的小,要求较高的制作加工精度。
         
        这些电桥构成的无耗互易三端口网络不可能达到完全匹配, 且输出端口间无隔离，需要在隔离口匹配接地连接,这对微带等平面电路工艺来说极不方便。相对于其他3种电桥,Wilkinson电桥电路结构更简单(图2),当输出端口都匹配时,它仍具有无耗的有用特性,它只是耗散了反射功率，从而改善了普通功分器的不足，且可方便地用微带线或带状线来实现，传输信号在幅度和相位上平衡主要依靠电路结构固有的对称性来满足,因而带宽较宽,较容易满足功率合成时信号平衡度的要求。
         
        因此以Wilkinson电桥为基本合成单元的多级功率合成、分配网络,具有结构紧凑、平衡性好、带宽宽、集成度高的优良性能,广泛应用于功率MMIC中,以提高单器件的输出功率。
         

       

        图2  传统Wilkinson电桥

         
        但是对于传统的Wilkinson电桥，需要引入隔离电阻,作为有耗网络,其构成的分配-合成电路损耗相对较大,合成效率相对不高，于是尝试去掉隔离电阻。分析如下：Wilkinson电桥具有对称结构,通过电桥分路的信号无论在幅度还是相位上,总是平衡的,这样电桥的隔离电阻两端电压总是相等而并无电流流过,于是,去掉Wilkinson电桥的隔离电阻后,并不会影响功率分配-合成网络的性能。
         
        基于以上分析,我们要设计的3dB电桥可以看作传统Wilkinson电桥去掉隔离电阻后,经优化设计的结果。由于电路中无阻性元件,可忽略微带传输线的损耗。
         
        3  W频段3dB电桥设计及其应用

        如图2，设计目标为port1反射最小, port2与port3对称。选用Rogers公司RT Duroid5880基片,厚度0.127mm,介电常数相对较小(εr=2.2),对相同阻抗的传输线,金属导带更宽,传输线金属损耗越低；同时,在保持端口阻抗为50欧姆不变的前提下,尽量加宽金属导带的宽度,对本电路来说,主要是加宽与Wilkinson电桥70.7欧姆线相对应的那部分微带传输线的宽度。应用HFSS工具对整个3dB电桥进行电磁场仿真模拟,通过合理改变电路尺寸以消除不连续性对电路性能的影响,从而得到优化的结果。电路结构与仿真结果如图4。
         
        再设计波导-微带过渡，采用E-面探针结构，电路结构与仿真结果如图5，利用此过渡可与此前的电桥可组成背靠背功率分配与合成网络。
         

       

        图3  （a）电路结构

       

        图3  （b）仿真结果

       

        图4  （a）过渡的结构

       

        图4  （b）过渡的仿真结果

         
        在以上设计的基础上,我们可以设计两路功率放大合成电路。将设计的电桥与过渡应用于图1所示的网络，为使两放大支路上器件与微带线连接处等不连续性引起的反射回波在3dB电桥处反相抵消,以进一步提高整个网络端口驻波性能,放大芯片的安装位置相互错开90°。
         
        由前述分析,单个3dB三口网络与的损耗约为0.2dB,再加上波导-微带转换的损耗约为0.1dB,合成时,电路损耗约为0.35dB（由于电路尺寸很小，可忽略传输线损耗）。当然,实际应用中还要按产品手册给出的芯片饱和输出功率来计算合成效率,还要考虑微带键合等电路加工、安装因素的影响；对毫米波功率合成电路来说,电路的加工工艺是引起合成效率降低的一个重要因素。同时,合成信号不平衡程度也会引起功率合成效率降低。可以预计,进一步提高加工工艺，选用同批次放大芯片以提高合成的两路信号的平衡度,采用此种电桥进行毫米波固态功率放大合成,可以达到很好的效果。
         
        4  结论

        毫米波集成电路技术实现功率合成,基本合成单元是两路电桥合成,关键技术是制作出低损耗3dB合成电桥。本文描述的W波段3dB电桥,由于工作频率很高，所以尺寸很小，对加工精度要求很高，但其相应功率合成网络具有低损耗、低成本等优点,具有一定实用价值，可以进一步加工实物进行验证。