基于合成技术的毫米波太赫兹固态功放研究进展

随着下一代通信和装备向着更大带宽和更高精确度的方向发展,毫米波太赫兹频段成为微波技术研究的重点方向。发射功率是太赫兹系统中的关键指标,功率的大小直接决定了系统的作用距离。近些年来,毫米波太赫兹频段的固态功率器件取得了显著进步,推动了国内外太赫兹固态功率放大器的工程实现。本文介绍了国际上毫米波太赫兹频段功率合成技术和固态功放的研究现状,以及我国特别是南京电子器件研究所在W波段与G波段基于径向功率合成技术、矩形波导合成技术以及硅基波导合成技术的固态功放模组的最新研究进展。

射频与毫米波功率放大器新进展

近年来,随着5G演进和未来6G技术的研究与突破,以及在应用端如物联网、智能驾驶等领域的技术迭代升级,都对射频与毫米波系统的设计提出更多的需求和更高的要求。功率放大器作为发射机的关键部件,其特性直接影响发射系统的信号覆盖距离、传输质量和功耗等指标。为了研制高性能射频与毫米波功率放大器,提出了各种新技术。文章将从有源放大器、无源网络的传输线型实现、系统电路架构三方面对功率放大器取得的新进展进行介绍。

Ka波段25W固态功率合成放大器

介绍了一种新型的毫米波波导空间固态高功率合成放大器.该放大器中采用的波导-微带空间功率合成网络,在毫米波频段实现了幅度、相位对称的四路功率分配/合成和波导-微带过渡转换,由此研制的毫米波高功率合成放大器,在29～31 GHz范围内,合成效率高于80%,输出功率大于43.4 dBm,并在30～30.6 GHz内高于25 W.

毫米波10W空间功率合成放大器研制

提出了一种结构新颖的2×2空间功率合成结构．该结构在30～36GHz范围内，回波损耗优于10dB，插入损耗小于1dB．以此结构为基础再利用4块GaAsMMIC单片制作出了一个新型的功率合成器．该功率合成器在31—34GHz的频率范围内，在±0．64dB的增益波动下能得到大于10W的输出功率，并且在31GHz时具有最大的饱和输出功率13．8W，在带内的平均合成效率大于80％．

一种新型的毫米波功率合成电路

针对毫米波功率合成技术研究,吸取传统W ilk inson电桥的优点,提出了一种新型低损耗毫米波微带集成3dB电桥,其成本低、加工制作容易、在32GHz^37GHz,插损为0.2dB;以此3dB电桥为基础的Ka频段功率合成网络,在频率33~35GHz,合成效率达75%.

宽带高效径向波导基空间功率合成技术

为获得振幅和相位一致性较好的空间功率合成结构，对径向波导电磁场分布进行了理论分析，推导出径向波导内存在TM00主模。根据TM00波电磁场的轴向对称性，提出了径向波导功分器的简化电磁模型和等效电路。并由此研制出了性能良好的x波段159w固态功率放大器。在整个x波段，无源合成网络的合成效率都大于88％。含单片微波集成电路芯片（MMIC）的整体合成固态功放合成效率在整个MMIC工作频率范围内（11．9～12．3GHz）大于83％。

毫米波6W固态集成功率合成放大器研究

提出一种采用双对极鳍线—微带过渡的Ka频段2×2波导基功率合成结构.这种两路过渡结构在31.0-40.0GHz范围内实测背对背插损小于0.9dB,回波损耗优于12.0dB.组合四块GaAs MMIC功率单片制作的这种新型功率合成器,在32.0-36.0GHz频带、±1.21dB增益波动下获得6W的最大饱和输出功率,带内平均合成效率为82%,且在25W的直流功耗下也保持了极佳的散热性能.这些测试结果验证了本方案的可行性.

毫米波固态功率放大器的高效合成器

介绍了毫米波固态功率放大器的应用与发展现状,提出了一种新颖高效的2×2鳍线叠层式毫米波宽带功率合成结构,利用三维电磁场软件HFSS建模仿真,在32～36 GHz带内回波损耗小于-20 dB,插入损耗小于0.1 dB,与实测结果符合较好,据此研制出10 W功率模块。并设计了低损耗八合一空间波导合成器,实测带内回波损耗小于-20 dB,插入损耗小于0.25 dB,最终研制出在32～36 GHz内输出功率大于70 W的饱和脉冲固态功率放大器,合成效率为87%以上,合成效率较高。

采用二极管的射频预失真毫米波功放线性化器

文章提出了一种Ka波段的射频预失真线性化器。它由一个GaAs肖特基二极管和一个电容并联构成,通过一个偏置电阻加入直流馈电,具有增益扩展和相位延迟的特性,并且其增益和相位特性具有可调性,尤其其相位特性可调性更强。将其应用于工作频率为30GHz饱和输出功率为10W的功放,输出三阶交调失真(IMD3)可以改善15dBc以上,此时功放输入的双音激励信号频率间隔为5MHz。该线性化器可调性强、结构简单、成本低廉、易于实现,有着非常大的工程应用价值。

一种新型毫米波集成功率合成器的研究

提出了一种结构新颖、利用耿氏管管蕊制作的毫米波Ｅ 面混合集成功率合成器及其设计方法。功率合成器电路由Ｅ 面悬置耦合带线和鳍线构成，输出端口为标准矩形波导。在Ｋａ 频段，双管芯合成源在５５０ ＭＨｚ 的机调带宽内，输出功率大于２００ ｍ Ｗ，最大输出功率为３０５ ｍ Ｗ。

新型拓展带宽毫米波开槽波导功率合成器

针对毫米波开槽波导空间功率分配/合成器相对带宽较窄,合成路数增多时带宽锐减的缺点,提出了一种新型的拓展带宽的结构。该结构采用E面改进型T形结构成多分支网络,通过减少每个功率分配/合成器的合成路数,使其在输出更大功率的同时,带宽得到拓展。在Ka频段设计了此种结构的网络,并通过1×12阵列和2×6阵列的性能比较,发现2×6阵列的带宽几乎是1×12阵列的两倍,且具有尺寸小、合成效率高和容易散热等优点,从而验证了此种结构的可行性。

毫米波10W连续波空间功率合成放大器设计

介绍了一种基于BJ-320波导3dB定向耦合器、波导功分/合成器和波导-微带探针过渡相结合的8路高效、结构紧凑的波导内空间功率合成方案。此方案的结构具有容差大、容易加工和散热等优点,并且创新使用高隔离度的波导电桥实现两个4路合成器的连接,提高合成通道间的隔离度,减小合成链路间耦合干扰。推动功放和末级功放采用相同的GaAs MMIC功放芯片,在33～36GHz频率范围内实现饱和最小12W连续波功率输出,合成效率高于75%,附加效率高于11.9%,在毫米波频段实现了高效功率合成和大功率输出。

一种基于双级支线功分/功合网络的毫米波固态功率放大器

本文综合考虑影响合成效率的因素以及毫米波段的工艺精度，设计了一种改进型的双级支线功分／功合网络，改善了驻波比和幅相特性，保证了良好的合成效率．并在此基础上，研制了一种高性能的毫米波固态功率放大器，在38～40GH：的通带内，实现34．8dBm输出功率，55dB增益的良好电性能，具有结构简单、加工简易等特点.

W波段双路相参功率合成技术的研究

提出了一种新颖的功率合成网络——相参式功率合成,实现了W波段的功率合成。该W波段相参功率合成器利用环行器连接的注入锁定放大链作为基本放大单元,H面波导T型结作为3dB功分器网络,采用4只输出功率为75mW左右的IMPATT放大器,最终在中心频率93.23GHz,输出250mW功率,带宽60MHz,合成效率达到80%,直流转换效率10%,证明该方案作为W波段的功率合成是一种行之有效的方法,可为W波段发射机提供更大的功率输出。

一种新颖的毫米波集成功率合成器

本文介绍一种结构新颖的毫米波 E面混合集成功率合成器及其设计方法。功率合成器电路由鳍线和 E面线构成 ,输出端口为标准矩形波导。具有结构紧凑、调试简便的优点。采用两耿氏管 ,在 Ka波段 ,6 30 MHz的机械调谐带宽内连续波输出功率大于 2 0 0 m W,最大输出功率为2 93m W。

新型毫米波功率合成器设计

提出一种基于双对极鳍线-微带过渡的Ka频段1×2路波导基功率合成器，借助谱域法完成最佳渐变鳍线阵设计。在29～39GHz范围内实测背对背插损小于0．9dB，回波损耗优于12．0dB。通过在WR-28波导内垂直迭放两块电路板的办法将两路合成引伸至四路合成，组合四块GaAs MMIC功率单片的2×2功率放大模块，在32．0～36．0GHz频带内实测的最大饱和输出功率为6W，合成效率约为82％，功率相加效率为21％，验证了所提方案的有效性和可行性。

一种改进型毫米波开槽波导空间功率分配合成网络

研究了一种改进型毫米波开槽波导空间功率分配合成网络。该功率分配/合成结构具有合成效率高且合成效率基本不受合成路数的限制、尺寸小、设计过程灵活和容易散热等特点。在详细阐述了其原理及设计过程的基础上,设计了一个中心频率为38GHz的Ka频段末端的功率合成器。仿真结果显示此种结构回波损耗小于-12dB的带宽达2.3GHz,相对中心频率带宽约为6%,且插入损耗小于0.3dB,可见具有极低的插入损耗和较低的回波损耗,从而验证了此种结构的可行性。

基于柔性基片集成波导技术的Ka波段功率放大器的设计和制作

设计、制作并测试了一个Ka波段八路合成宽带功率放大器.测试结果表明在26.5GHz上最大输出功率约为4.2W(连续波),在26.4GHz上最大合成效率约为72.5%,在25.1～28.4GHz范围内合成效率大于60%.这种功率放大器的基本组成单元是一对含对称尖劈过渡结构的柔性基片集成波导(FSIW).将一组该单元上的对称尖劈沿波导窄壁分别插入相应的输入和输出矩形金属波导,就可在波导内实现宽带、高效率的功率分配和功率合成.结果表明这项技术可方便地用于宽带毫米波固态功率放大器设计.

铜基空气微同轴工艺技术

铜基空气微同轴传输线是由悬空的中心内导体、将其包围的接地外导体和周期性介质支撑结构组成。与传统的平面微带器件相比,基于微同轴工艺研制的毫米波器件具有宽频带、高隔离度、低损耗、高功率容量等特点,同时又保留了平面微带器件集成度高等优势。系统地研究了铜基空气微同轴结构及制备工艺,并利用该工艺制备了W波段微同轴传输线和功率合成器。样件测试结果显示,基于微同轴技术的射频器件在高频下表现出可以与波导结构制作的器件相比拟的插入损耗和合成效率,在110 GHz处实测的传输线插入损耗≤0.045 dB/mm,功率合成器的一级合成效率(即两路合成)大于92%。该测试结果证明了微同轴结构及工艺的有效性和可靠性。

一种新颖的毫米波开槽波导空间功率合成网络

针对毫米波开槽波导空间功率分配／合成器相对带宽较窄、输出功率小的缺点，提出了一种基于双圆弧T形结的四探针开槽波导空间功率分配／合成网络。该网络通过新型的双圆弧T形结，将两输出端分别与一个在波导宽边开槽使用四路探针实现四等分耦合的功率分配器连接，从而构成一个八路的功率分配网络。利用分配网络反过来镜像放置构成的合成网络，经过HFSS和CST高频仿真软件的仿真结果表明，该结构在30～40GHz的范围内其回波损耗小于-20dB，插入损耗大于-0．2dB，可见该功率分配合成网络具有宽频带、低插损、高功率输出的优点，且具有尺寸小、合成效率高和容易散热等特点。