崔富義,劉富海,方 波
(1.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院特種設(shè)備學(xué)院,浙江 杭州310018;2.中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州310018)
隨著無(wú)線通信應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率和信號(hào)帶寬的要求與日俱增,無(wú)論是軍用系統(tǒng)還是民用系統(tǒng),寬頻帶和大功率將是現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。 寬頻帶則要求通信頻率向高頻段方向擴(kuò)展,如微波、毫米波頻段;大功率則要求系統(tǒng)輸出功率能力要強(qiáng)。 眾所周知固態(tài)功率器件具有體積小、重量輕、工作頻段高、壽命長(zhǎng)、直流功耗低、可靠性高、易集成等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。然而,一般固態(tài)器件隨著體積的減小、工作頻率的增高,輸出功率卻會(huì)大大降低。 為滿(mǎn)足現(xiàn)代通信系統(tǒng)小型化、寬頻帶、大功率發(fā)展趨勢(shì)要求,固態(tài)功率合成技術(shù)成為目前解決這一技術(shù)瓶頸的有效途徑[4-7]。
合成效率的高低是衡量一個(gè)合成器性能是否優(yōu)良的重要指標(biāo)。 為充分利用固態(tài)功率器件在微波毫米波頻段產(chǎn)生的寶貴功率,要求合成系統(tǒng)的合成效率一定要高。 實(shí)踐證明損耗越低,幅相一致性越高,合成效率就會(huì)越高[4-7]。
散熱性能是衡量功放和發(fā)射機(jī)系統(tǒng)工作可靠性的重要指標(biāo)[8-10]。 良好的散熱性能可以及時(shí)地將熱量散發(fā)出去,以保護(hù)較為昂貴的半導(dǎo)體功率器件。因此合成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一定要便于散熱裝置的安裝。
結(jié)構(gòu)尺寸的大小也是系統(tǒng)應(yīng)該考慮的重要因素,體積小重量輕更受市場(chǎng)青睞。
本文主要是針對(duì)合成系統(tǒng)的這三個(gè)指標(biāo)要求,提出了一種復(fù)合式功率合成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。
在高合成效率、良好散熱性能和結(jié)構(gòu)緊湊性要求之間,經(jīng)折中考慮,提出了以下微波功率合成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。 為了更好地闡述其工作原理,下面結(jié)合它在構(gòu)成合成固態(tài)放大器中的應(yīng)用加以說(shuō)明。 這種功率合成系統(tǒng)的原理圖如圖1 所示。 第1 級(jí)和第2 級(jí)是由一分二的二進(jìn)制矩形波導(dǎo)功分器構(gòu)成;第3級(jí)是由4 個(gè)一分四的功分器組成(其結(jié)構(gòu)是在矩形波導(dǎo)功分器每個(gè)分支壁上耦合出2 條同軸支路構(gòu)成的);第4 級(jí)是由16 個(gè)被合成元件構(gòu)成的(合成元件可以為微波集成放大器芯片MMIC,也可以是其他功率元件)。 此結(jié)構(gòu)是互易結(jié)構(gòu),它用在前端即為功率分配器,用在后端即為功率合成器。 整個(gè)合成固態(tài)功率放大器系統(tǒng)的工作過(guò)程分為:微弱的微波信號(hào)從左端進(jìn)入,經(jīng)左邊功率分配器,信號(hào)被等分為16 條支路分別進(jìn)入到第4 級(jí)上的每個(gè)放大器芯片進(jìn)行放大,放大后進(jìn)入到右邊功率合成器的對(duì)應(yīng)支路,經(jīng)合成器合成后從右端波導(dǎo)口輸出。
低損耗和幅相一致性是提高合成效率的關(guān)鍵。因此,本設(shè)計(jì)的合成系統(tǒng)全部采用低損耗的金屬波導(dǎo)和同軸線,而且保證結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱(chēng)。 金屬波導(dǎo)和同軸線具有較大的功率容量,非常適合大功率系統(tǒng)。
為了使結(jié)構(gòu)緊湊,又不妨礙散熱性能,合成終端被設(shè)計(jì)成了上下兩層結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)充分利用了縱向空間,在相同合成元素個(gè)數(shù)下,重量和橫向尺寸縮減了一半多。 這種準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)非常方便散熱器在其上下表面上安裝。
圖1 合成固態(tài)放大器示意圖
因這種合成系統(tǒng)中的功分器和合成器是互易結(jié)構(gòu)[12],所以,這里只以功分器形式為例來(lái)介紹設(shè)計(jì)方法。 任何電磁場(chǎng)仿真軟件在仿真電路時(shí),仿真物體的電尺寸越大,誤差和仿真難度也會(huì)越大,仿真速度也會(huì)越慢。 為了快速而精確地設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足要求的合成系統(tǒng),將整個(gè)系統(tǒng)劃分成如圖1 所示的3 部分,即第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)。 第一級(jí)和第二級(jí)的結(jié)構(gòu)為二進(jìn)制形式的矩形波導(dǎo)功分器,其設(shè)計(jì)原理相同。 它的結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)注圖和CST 環(huán)境下的電磁建模圖如圖2 所示。
圖2 矩形波導(dǎo)功分器(單位:mm)
因針對(duì)的工作頻段是Ku 波段,所以矩形波導(dǎo)選用BJ140(WR62)型標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)(寬邊a 長(zhǎng)15.799 mm,窄邊b 長(zhǎng)7.899 mm)。 分別對(duì)第1 級(jí)和第2 級(jí)功分器進(jìn)行獨(dú)立仿真。 首先根據(jù)被合成元件布局后的整體寬度,倒推出各級(jí)支路端口最小長(zhǎng)度(Lm+Lt+La)。 bm和Lm是支路波導(dǎo)的起始寬度和長(zhǎng)度。 bm初始值取主波導(dǎo)寬度b 的一半,Lm初始值要大于bm。 Lt為過(guò)渡段的長(zhǎng)度,其寬度由bm過(guò)渡到b。 為了獲得較低的插入損耗和反射損耗,需要良好的阻抗匹配,因此除了調(diào)節(jié)過(guò)渡波導(dǎo)尺寸外,各拐彎處也需要采取合理的倒角尺寸,如圖2 中Ch和Ca,初值要小于相應(yīng)波導(dǎo)的寬度。 主波導(dǎo)長(zhǎng)度L 和Lz 可根據(jù)產(chǎn)品水平方向尺寸要求來(lái)定。 其值過(guò)小會(huì)有高次模產(chǎn)生,過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加水平方向尺寸。 在初始值的基礎(chǔ)上對(duì)變量Lm、Lt、La、Ch和Ca進(jìn)行優(yōu)化可得到第1 級(jí)和第2 級(jí)功分器的最終尺寸。 仿真的最終結(jié)果見(jiàn)圖3 所示。 圖3(a)和(b)是15 GHz 下初始相位為0°的微波信號(hào)激勵(lì)下產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)矢量分布圖。 從圖中可以直觀地觀察到波導(dǎo)中的電磁場(chǎng)模式,以及電磁能量被等分的情況??梢钥闯龈鞑▽?dǎo)端口電磁場(chǎng)模式符合主模TE10模式[11]的分布。 第1 級(jí)和第2 級(jí)功分器的幅頻特性和相頻特性,見(jiàn)圖3(c)和(d)。 可以看出,在整個(gè)BJ140型波導(dǎo)帶寬內(nèi)(12 GHz~18 GHz),2 路功分器的分配損耗是-3.01 dB,圖中各支路SN1(N =2,3)值與分配損耗的差值SN1-(-3.01)≥-0.1 dB,即為各支路插損,反射損耗幾乎在所有頻點(diǎn)上都優(yōu)于20 dB,即S11≤-20 dB。 由于結(jié)構(gòu)的高度對(duì)稱(chēng),所以其幅相一致性也很好,這點(diǎn)從兩支路的S 參數(shù)重合度可以看出,S32為兩支路之間的隔離度,約有6 dB。
圖3 第1 級(jí)和第2 級(jí)功分器仿真結(jié)果
第3 級(jí)是在第1 級(jí)和第2 級(jí)的基礎(chǔ)上改造的一分四路波導(dǎo)-同軸型4 等分功分器。 其結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)注圖和CST 環(huán)境下的電磁建模見(jiàn)圖4 所示。 為方便與被合成元素集成,同軸特性阻抗選50 Ω。 同軸的介質(zhì)材料選聚四氟乙烯,其相對(duì)介電常數(shù)εr為2.08,外導(dǎo)體內(nèi)直徑D 取4.1 mm,內(nèi)導(dǎo)體直徑d 取1.27 mm。這個(gè)四等分功分器的性能與圖中的倒角Ch、探針深度Lt、探針距短路面距離Ls、同軸探針間距Bj有重要關(guān)系。 Ch初值取b/2<Ch<b,Lt初值取b/2,Ls初值取約四分之一波導(dǎo)波長(zhǎng),Bj初值取a/4。 支路波導(dǎo)臂長(zhǎng)度Lz由工作波長(zhǎng)和被合成元件尺寸決定,即,Lz的長(zhǎng)度既要滿(mǎn)足被合成元件的裝配要求也要保證其微波特性。 固定下Lz后,對(duì)變量Lt、Ls、Ch和Bj進(jìn)行優(yōu)化仿真,可得到各結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳尺寸。
圖4 波導(dǎo)-同軸型4 等分功分器
優(yōu)化仿真后的結(jié)果見(jiàn)圖5 所示。 由圖5(a)和5(b)15 GHz 下的電磁場(chǎng)矢量分布圖,可以看出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電磁場(chǎng)模式以及能量分布情況。 電磁場(chǎng)模式由矩形波導(dǎo)端的TE10模式逐漸過(guò)渡到4 個(gè)同軸端口的TEM 模式。 這符合矩形波導(dǎo)和同軸傳輸線理論,可以斷定仿真結(jié)果是可信的,并且可以觀察到能量確實(shí)被等分了。 其他各頻段的S 參數(shù)仿真結(jié)果見(jiàn)圖5(c)所示。 由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性,各支路的幅頻特性是一致的,即S21、S31、S41和S51會(huì)重合在一起,圖中用SN1表示;然而這種結(jié)構(gòu)的相位卻不同于前兩級(jí)的情況,從圖5(c)的相位曲線可以看出。 處于不同波導(dǎo)壁中的兩個(gè)同軸支路相位相差180°,處于同一波導(dǎo)中的兩個(gè)同軸支路相位一致。 從圖5(a)和5(b)的電磁場(chǎng)矢量分布圖中的電磁場(chǎng)振動(dòng)方向也可以發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。 另外,從圖5(c)還可以觀察到,反射損耗S11只有在12 GHz ~14.5 GHz 時(shí)表現(xiàn)略差,約為10 dB 左右,但也滿(mǎn)足一般工程要求,在14.5 GHz ~17.5 GHz 時(shí),S11≤-15 dB,表現(xiàn)較優(yōu)。 4 路功分器的分配損耗是-6.02 dB,圖中各支路SN1(N =2,3,…,5)值與分配損耗的差值SN1-(-6.02),即為各支路插損,從圖中可以看到從12 GHz ~18 GHz 范圍,插損都優(yōu)于0.2 dB,特別是在15 GHz~17 GHz 范圍內(nèi)時(shí),更是優(yōu)于0.1 dB。 另外從圖中還可以觀察到,第3 級(jí)比第1 級(jí)和第2 級(jí)頻帶寬度有所降低。 原因有兩種:一是為了控制產(chǎn)品橫向尺寸和整體重量而嚴(yán)格限制了波導(dǎo)臂的長(zhǎng)度,在中間未加入過(guò)渡波導(dǎo)致使阻抗失配比前兩級(jí)的大;二是為了裝配簡(jiǎn)單,同軸探針沒(méi)有采用端部加粗的方法進(jìn)行帶寬拓展。 如果對(duì)產(chǎn)品尺寸和裝配成本要求不高的話,利用上述技術(shù),在整個(gè)波導(dǎo)帶寬內(nèi),同樣也能做到優(yōu)良的性能。
圖5 第3 級(jí)4 等分器仿真結(jié)果
為了考察上述三級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的16 路功分器整體性能如何,將三級(jí)子電路放在CST 設(shè)計(jì)工作室環(huán)境中進(jìn)行級(jí)聯(lián)仿真,原理圖見(jiàn)圖6(a),其對(duì)應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)如圖6(b)所示。 此16 路功分器的S 參數(shù)仿真結(jié)果見(jiàn)圖7 所示。 由圖7(a)的幅頻特性可以看出,因結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng),各支路插損相同,且損耗很低。 16路功分器的分配損耗是-12.041 dB,圖中各支路SN1(N=2,3……17)值與分配損耗的差值,即為各支路插損,從15 GHz 到17 GHz,各支路插損SN1-(-12.041)≥-0.23 dB,反射損耗S11≤-14 dB;在16.6 GHz~17.3 GHz 范圍內(nèi),各支路插損SN1≥-0.1 dB,反射損耗S11≤-20 dB。 因SN1=-0.23 dB =0.948,S11=-14 dB =0.04 代入式(1)[10]可計(jì)算出整個(gè)合成系統(tǒng)的無(wú)源合成效率η,
圖6 CST 環(huán)境下三級(jí)功分器的聯(lián)合仿真圖
由圖7(b)的相頻特性可知與第3 級(jí)功分器情況類(lèi)似。
圖7 1 分16 路功分器仿真與測(cè)試結(jié)果比較圖
利用上述仿真優(yōu)化得到最佳結(jié)構(gòu)尺寸,采用高精度數(shù)控機(jī)床,將第1 級(jí)至第3 級(jí)結(jié)構(gòu)做到一塊金屬上就構(gòu)成了這個(gè)16 路功分器的整體結(jié)構(gòu),如圖8 所示。該功分器系統(tǒng)尺寸為48 mm×214 mm×18 mm。
圖8 16 路功分器照片
功分器S 參數(shù)測(cè)試平臺(tái)如圖9 所示。 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀左端口經(jīng)同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器與功分器的波導(dǎo)端口1 相連接,矢網(wǎng)右端口與功分器的其中一個(gè)支路相連,其他支路接匹配負(fù)載。 按此方法依次測(cè)試剩下的各支路S 參數(shù)。 整個(gè)S 參數(shù)的測(cè)試結(jié)果,見(jiàn)圖7 仿真與測(cè)試結(jié)果比較圖。 從14.5 GHz 到17.5 GHz 范圍內(nèi)各支路插損小于0.4 dB,即能量通過(guò)率約大于0.91。 反射損耗S11小于-12.5 dB,即能量反射率小于0.056。 在15.5 GHz 到16.5 GHz 這段頻段內(nèi)各支路插損小于0.3 dB,即能量通過(guò)率約大于0.93。 反射損耗S11小于-16 dB,即能量反射率小于0.025。 代入式(1)可得
圖9 16 路功分器的測(cè)試平臺(tái)
從合成效率,結(jié)構(gòu)尺寸和工作可靠性出發(fā),提出了一種復(fù)合式功率合成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。 該合成系統(tǒng)第1 級(jí)和第2 級(jí)由二進(jìn)制的矩形波導(dǎo)功分器構(gòu)成;第3 級(jí)由矩形波導(dǎo)同軸探針型四等分功分器構(gòu)成;此合成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,合成效率高,熱沉裝配方便。 測(cè)試發(fā)現(xiàn)從14.5 GHz 到17.5 GHz 范圍內(nèi),其無(wú)源合成效率可達(dá)90%以上。