Ku波段30W固态功率放大器

图１ Ｋｕ波段３０ＷＳＳＰＡ原理框图
３．功率合成网络的设计
微波和毫米波固态功率合成技术通常分四种类型：半导体芯片串联或并联功率合成技术 （简称管芯型功率合成）；谐振或非谐振功率合成技术；空间功率合成技术；以及利用以上技 术的混合型功率合成技术。
实际的功率合成基本上都采用了混合合成。根据实际情况，利用以上几种合成技术各自 的优点，做到性能互补，以最经济的代价做到最实惠的功率合成。通常管芯级合成为第一级， 电路合成为第二级，若还需要的话，最后一级采用空间合成。以Ｋｕ波段３０Ｗ功率放大器为 例，在使用的ＭＭＩＣ单片放大器和功率模块中采用了管芯级合成，在微带平面电路上应用了
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２００６年全国第十一届微波集成电路与移动通信学术年会
Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ功分器，再以矩形波导魔Ｔ合成实现放大器３０Ｗ功率输出。 对于合成网络，合成效率是至关重要的，因此必须要尽量减小电路的损耗。二进制分配
／合成器是进行功率合成的常用结构。如图２所示，可以看出，随着电路损耗的增加，合成 效率下降得很快；而且，电路的合成级数越多，这种现象越明显；更重要的是，即使单级损 耗很小，合成级数多，效率也十分地低。对于单级损耗为０．３ ｄＢ的情况，要达到８０％的效率， 合成级数不能超过３级。因此，在功率合成电路中，为了达到所要求的合成效率，除了保证 两路合成信号具有很好的幅度、相位一致外，设计低损耗的功率合成网络是非常关键的。
作者： 作者单位：
罗懿， 王粲， 廖秋平 成都西科微波通讯有限责任公司,610091
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1.学位论文 关宇 Ku波段功率放大合成研究 2009
本文主要论述了Ku波段(工作频率13.75GHz～14.5GHz)大功率微波固态功率放大器系统的研究、设计以及测试；另外，本文还对十路矩形波导与径向 波导混合结构的功率分配/合成网络进行了理论研究、仿真实验和实物的加工、测试。
２００６年全国第十一届微波集成电路与移动通信学术年会
Ｋｕ波段３０Ｗ固态功率放大器
罗懿 王粲 廖秋平 （成都西科微波通讯有限责任公司，６１００９１）
摘要：本文叙述了研制的应用于ＶＳＡＴ卫星通信的Ｋｕ波段３０Ｗ固态功率放大器（ＳＳＰＡ）。阐述了该固态功 率放大器的方案构成和关键部分的设计，包括功率合成网络、微带．波导转换的设计；功率合成电路的设计， 特别是波导魔Ｔ的优化设计。研制的３０Ｗ固态功率放大器的主要性能为：中心频率１４．２５ＧＨｚ，带宽５００ＭＨｚ， Ｐ．１ｄＢ输出功率３０Ｗ，大信号增益４５ｄＢ，带内波动小于５ｄＢ。 关键词：Ｋｕ波段，３０Ｗ，固态功率放大器，功率合成，Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ功分器，波导魔Ｔ
本课题针对Ku波段的固态放大器的电路实现进行研究，主要进行了单级放大电路、串联放大电路和并联放大电路实验，从设计材料、应用元件、电 路设计、合成效能等方面进行分析，总结了Ku波段放大器研制特点和难点，为进一步研究提供一些技术参考。
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２００６年全国第十一届微波集成电路与移动通信学术年会
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图３同轴一波导转换结构
图４ Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ功分器结构示意图
３．３波导合成器的设计
采用波导魔Ｔ结构，主要就是考虑到波导结构损耗小的原因。设计时使用了Ａｎｓｏｆｔ的高 频电磁场结构仿真软件（ＨＦＳＳ），对波导魔Ｔ结构进行了仿真优化，其结构模型如图５所示。 仿真优化结果和最终实测数据如图６所示。实际的合成效率约为７５％。
Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ＆Ｗｉｒｅｌｅｓｓ．１９９８ 【４】．Ｎａｉａｒａ Ｇｏｉａ，Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｔｏ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ ａｔ ８．４５ ＧＨｚ，３４ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ·
Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，２００４
Ku波段30W固态功率放大器
图５波导魔Ｔ仿真结构图
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雷达发射机有时需要输出很大的功率，然而单路的功率放大器系统无法满足固态雷达发射机的需要。因此需要通过对信号功率进行分配、放大、合 成获得更大的输出功率。在对径向波导基本电磁理论分析的基础上本文第三章介绍了一种新颖的十路矩形波导和径向波导混合结构的功率分配/合成器。 然后对这种功率分配/合成器的电路拓扑结构、电磁波模式转换以及等效电路等问题进行了研究。最后通过应用三维电磁场仿真软件对这种功分器进行建 模仿真实验，在此基础上设计加工了功分器并对其测试。测试结果表明：十路功分器的实际工作频带为1.5GHz( S11≤-15dB)，带内插入损耗小于 1.5dB。
图２合成效率ｒｔｃ与合成网络级数Ｎ及单级插损Ｌ的关系 在Ｋｕ波段ＶＳＡＴ卫星通信中，发射机输出端口是ＷＲ－７５标准矩形波导接口。考虑到经 济性和方便性，在合成网络的前端采用了微带电路的Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ两路功分器，在两路功放输出 设计了微带一波导转换结构，最后采用波导魔Ｔ合成输出。 ３．１微带一波导转换结构的设计 微带传输线到金属波导转换性能的优劣是影响输出功率大小的关键因素之一，目前以下 两种转换方式占有突出地位：１）脊波导方式；２）探针耦合方式。前者的优点是转换结构是 渐变的，无显著不连续点，缺点是若想获得良好的宽带匹配，必定要同时增加物理尺寸和机 械加工的难度。相比之下探针转换的结构紧凑简单，所以采用探针转换方式，并采用Ｅ面插 入的结构。转换结构类似于同轴一波导转换，如图３所示。经过仿真优化可确定Ｌ、ｄ尺寸， 经实测在１４￣１４．５ＧＨｚ的频率范围内，两个背靠背转换器的插入损耗小于０．３５ｄＢ，即单个的转 换器的插入损耗小于０．２ｄＢ。 ３．２两路功分器的设计 ’Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ功分器如图４所示。做功分时，信号由ｌ端口输入，２．、３端口同相等分输出； 反之，合成应用时，则２、３端口输入，ｌ端口处同相叠加输出。由于应用的相对带宽（３．５％） 不宽，所以采用了一节１／４波长线制作，即可满足带宽要求又可以减小插入损耗。其幅度和 相位的平衡主要是依靠电路的对称性。Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ功分器为单元设计的多级合成／分配网络， 具有结构紧凑、平衡性好、损耗低、带宽宽、集成度高的优良性能，广泛应用于功率合成电 路中。
项目
实测结果
单位
频率范围
１４．帖１４．５
ＧＨｚ
小信号增益
４８
ｄＢ
大信号增益
４５
ｄＢ
５００ＭＨｚ带内波动
＜５
ｄＢ
ＰｌｄＢ输出功率
３０
Ｗ
ＳＳＰＡ的效率
１２％
ＳＳＰＡ的功耗
２５０
Ｗ
５．结束语
Ｋｕ波段３０Ｗ ＳＳＰＡ已经研制成功，并且已在ＶＳＡＴ卫星通信室外单元上应用。要进一步 提高输出功率和效率，应想办法减小合成网络的损耗；更高的功率，可考虑进行多路功率合 成或谐振式功率合成。
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参考文献 【ｌ】．龚克，王激，波导与微带线和共面线的过渡问题，微波学报，ＮＯ．２ １９９４ 【２】．于洪喜，潘建华，崔骏业，Ｋｕ波段１０瓦固体功率放大器的研究，空间电子技术，１９９５年第１期 【３】．Ｒｉｃｈａｒｄ Ｍ．ＫｕｒｚｒｏＬ Ｃｏａｘ－ｔｏ－Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ａｄａｐｔｅｒｓ Ｍｅｅｔ Ｎｅｅｄｓ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ａｐｐｌｉｅｄ
微波固态功率放大器系统作为全固态雷达发射机的关键组成部分，决定了发射机的性能好坏，近年来微波固态功率器件有了长足的发展。本文第二 章介绍了双极型微波功率晶体管、金属氧化物半导体场效应微波功率晶体管、以及砷化镓场效应微波功率晶体管等的工作原理，同时还详细阐述了功率 放大器偏置电路工作原理与设计方法，功率FET应用的具体问题以及大功率器件的散热问题研究。第四章介绍了在单独完成三个Ku波段(从小到大不同输 出功率)功放的模块化研究基础上，研制了Ku波段三级功率放大器系统并进行了测试。
2.期刊论文 蔡昱.徐建华.成海峰.CAI Yu.XU Jianhua.CHENG Haifeng Ku波段固态功率放大器 -固体电子学研究与
进展2009,29(4)
固态功率放大器(SSPA)常应用于微波发射机系统.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、工作电压低及不需要预热 时间等主要优点.固态功率放大器可完成功率放大、对射频信号进行脉冲调制、高电压隔离变换及过压、过热等多种保护功能.
１．引言
目前ＶＳＡＴ卫星通信已开始由Ｃ波段向更高的Ｋｕ以及Ｋａ波段发展，且将成为下一阶段 开发和利用的首选频段。随着卫星通信事业的发展，固态功率放大器（ＳＳＰＡ）越来越显示出 其优越性。与行波管放大器相比，ＳＳＰＡ具有体积小、重量轻、可靠性高、线性好等优点。由 于受到器件自身的功率限制，一般在固态高功率放大器中主要采用功率合成技术。Ｃ波段以下 的合成器主要采用微带平面电路的形式，常用Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ功分器或３－ｄＢ电桥耦合器。而在Ｋｕ 波段，合成器则一般采用波导功率合成网络或腔体合成器。本文的Ｋｕ波段固态功率放大器采 用Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ功分器作为分配器，合成则采用矩形波导魔Ｔ结构，实现功率合成。
3.学位论文 范宁松 Ku波段固态功率放大器的研究 2008
Ku波段的频率从12～18GHz，空气中的波长为2公分。由于其带宽宽，用小孔径天线可获得窄波束，而受到人们的关注。Ku波段的发射机可用于卫星 通信的地面站上行线路，取代TWTA，还可用于卫星电视，获得更佳的图像质量。在民用和军用市场，都有很好的应用前景。