淺談W波段功率分配器及應用

2021-01-06 電子發燒友
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淺談W波段功率分配器及應用

工程師2 發表於 2018-05-29 09:34:00

1、引言

現代的毫米波系統中，對固態電路的輸出功率要求越來越高，提高輸出功率的基本技術就是功率合成，即通過組合若干個相干工作單元，或者通過疊加多個分離電路功率的方法，獲取更大的輸出功率。目前，毫米波功率合成技術大致可以劃分為4類：晶片級合成、電路合成、空間合成、以及多級合成的方法。

功率分配器是功率合成電路的重要組成部分，它的作用是將輸入功率分成相等或不相等的幾路功率輸出的一種多埠微波網絡。在微波系統中，需要將發射功率按一定的比例分配到各發射單元，如相控陣雷達等，因此功分器在微波系統中有著廣泛的應用。它的性能好壞直接影響到整個系統能量的分配、合成效率。

圖1所示為3dB電橋功率合成基本單元電路。

圖1、3dB電橋功率分配-合成基本單元

基於毫米波固態功率合成技術研究，本文首先提出了一種新型W頻段低損耗3dB微帶集成電橋，並對以此電橋為基本構架的毫米波功率合成網絡進行了相關討論。

2、3dB電橋選取

目前，毫米波集成電路中廣泛採用的電橋主要包括：分支線電橋、環形電橋（ rat-race hybrid）、Wilkinson電橋、Lange電橋等。分支線電橋只能用於低頻率情況，當微帶線寬和工作波長處於同一數量級時，其性能會很差。Lange電橋是通過耦合的方法來進行功率分配，適合進行功率不等分分配，當要獲得某些特定的耦合度時，耦合微帶間的間隔非常的小，要求較高的製作加工精度。

這些電橋構成的無耗互易三埠網絡不可能達到完全匹配，且輸出埠間無隔離，需要在隔離口匹配接地連接，這對微帶等平面電路工藝來說極不方便。相對於其他3種電橋，Wilkinson電橋電路結構更簡單（圖2），當輸出埠都匹配時，它仍具有無耗的有用特性，它只是耗散了反射功率，從而改善了普通功分器的不足，且可方便地用微帶線或帶狀線來實現，傳輸信號在幅度和相位上平衡主要依靠電路結構固有的對稱性來滿足，因而帶寬較寬，較容易滿足功率合成時信號平衡度的要求。

圖2、傳統Wilkinson電橋

因此以Wilkinson電橋為基本合成單元的多級功率合成、分配網絡，具有結構緊湊、平衡性好、帶寬寬、集成度高的優良性能，廣泛應用於功率MMIC中，以提高單器件的輸出功率。

但是對於傳統的Wilkinson電橋，需要引入隔離電阻，作為有耗網絡，其構成的分配-合成電路損耗相對較大，合成效率相對不高，於是嘗試去掉隔離電阻。分析如下：Wilkinson電橋具有對稱結構，通過電橋分路的信號無論在幅度還是相位上，總是平衡的，這樣電橋的隔離電阻兩端電壓總是相等而並無電流流過，於是，去掉Wilkinson電橋的隔離電阻後，並不會影響功率分配-合成網絡的性能。

基於以上分析，我們要設計的3dB電橋可以看作傳統Wilkinson電橋去掉隔離電阻後，經優化設計的結果。由於電路中無阻性元件，可忽略微帶傳輸線的損耗。

3、W頻段3dB電橋設計及其應用

如圖2，設計目標為port1反射最小，port2與port3對稱。選用Rogers公司RT Duroid5880基片，厚度0.127mm，介電常數相對較小（εr=2.2），對相同阻抗的傳輸線，金屬導帶更寬，傳輸線金屬損耗越低;同時，在保持埠阻抗為50歐姆不變的前提下，儘量加寬金屬導帶的寬度，對本電路來說，主要是加寬與Wilkinson電橋70.7歐姆線相對應的那部分微帶傳輸線的寬度。應用HFSS工具對整個3dB電橋進行電磁場仿真模擬，通過合理改變電路尺寸以消除不連續性對電路性能的影響，從而得到優化的結果。電路結構與仿真結果如圖4。

再設計波導-微帶過渡，採用E-面探針結構，電路結構與仿真結果如圖5，利用此過渡可與此前的電橋可組成背靠背功率分配與合成網絡。

圖3 （a）、電路結構

圖3 （b）、仿真結果

圖4 （a）、過渡的結構

圖4 （b）、過渡的仿真結果

在以上設計的基礎上，我們可以設計兩路功率放大合成電路。將設計的電橋與過渡應用於圖1所示的網絡，為使兩放大支路上器件與微帶線連接處等不連續性引起的反射回波在3dB電橋處反相抵消，以進一步提高整個網絡埠駐波性能，放大晶片的安裝位置相互錯開90°。

由前述分析，單個3dB三口網絡與的損耗約為0.2dB，再加上波導-微帶轉換的損耗約為0.1dB，合成時，電路損耗約為0.35dB（由於電路尺寸很小，可忽略傳輸線損耗）。當然，實際應用中還要按產品手冊給出的晶片飽和輸出功率來計算合成效率，還要考慮微帶鍵合等電路加工、安裝因素的影響;對毫米波功率合成電路來說，電路的加工工藝是引起合成效率降低的一個重要因素。同時，合成信號不平衡程度也會引起功率合成效率降低。可以預計，進一步提高加工工藝，選用同批次放大晶片以提高合成的兩路信號的平衡度，採用此種電橋進行毫米波固態功率放大合成，可以達到很好的效果。

4、結論

毫米波集成電路技術實現功率合成，基本合成單元是兩路電橋合成，關鍵技術是製作出低損耗3dB合成電橋。本文描述的W波段3dB電橋，由於工作頻率很高，所以尺寸很小，對加工精度要求很高，但其相應功率合成網絡具有低損耗、低成本等優點，具有一定實用價值，可以進一步加工實物進行驗證。

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