馬會闖， 葛俊祥

(南京信息工程大學(xué)電子信息技術(shù)與裝備研究院， 江蘇南京 210044)

0 引言

隨著衛(wèi)星通信、航空航天、雷達等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，寬帶、高功率、高效率固態(tài)功率放大器的需求與日俱增。微波單個固態(tài)功率器件的輸出能力有限，廣泛使用功率合成技術(shù)將多個微波單片的輸出信號通過合成網(wǎng)絡(luò)矢量疊加，有效提高輸出功率[1]。

功率合成網(wǎng)絡(luò)的性能直接影響放大鏈路的合成效率和工作帶寬，而平面功率合成電路，因具有結(jié)構(gòu)簡單，加工容易等被廣泛使用。文獻[2]通過Rat-race ring耦合器對兩只X波段功放芯片進行了合成設(shè)計，不過其工作帶寬有限。為了拓展功率合成網(wǎng)絡(luò)的工作帶寬，設(shè)計常采用多層基板技術(shù)，但這會帶來電路面積增大、損耗增加等問題。文獻[3]采用Lange耦合器實現(xiàn)了兩路功率合成，由于是強耦合方式，該耦合器間的線寬和縫隙都非常狹窄，這不僅給印制電路加工帶來了困難，而且會增加傳輸線的損耗。文獻[4-6]通過傳統(tǒng)的Wilkinson合成器進行功率合成，具有結(jié)構(gòu)簡單，雙路幅度和相位高度一致性的特點，通過級聯(lián)多節(jié)1/4λ阻抗變換器可以實現(xiàn)頻帶的展寬。但是，往往也會帶來尺寸過大、優(yōu)化復(fù)雜和準確性低等問題。

針對上述問題，文獻[7]提出了圓弧形結(jié)構(gòu)的寬帶Wilkinson合成器 (依據(jù)互易原理，它也可以用于功率分配，故又稱功分器)。文獻[8]采用遺傳算法優(yōu)化設(shè)計多頻Wilkinson合成器，僅僅實現(xiàn)了多頻點匹配。文獻[9]采用粒子群算法設(shè)計了寬帶Wilkinson合成器。然而粒子群算法易陷入局部最優(yōu)，導(dǎo)致阻抗不匹配和運算量大等問題。本文將采用天牛須算法進行優(yōu)化設(shè)計，其相比于粒子群優(yōu)化算法，具有收斂速度快、收斂精度高和全局搜索的特點。最后本文研制了X波段寬帶Wilkinson功率合成模塊，驗證了該算法的優(yōu)越性，實驗結(jié)果表明功率合成模塊具有工作頻帶寬、合成效率高和制作簡單的特點。

1 寬帶功率合成器設(shè)計

1.1 功率合成理論

功率合成技術(shù)廣泛應(yīng)用于大功率放大電路中，其中功率合成效率是衡量功率合成網(wǎng)絡(luò)優(yōu)劣的一個非常重要指標，將合成效率定義為合成網(wǎng)絡(luò)的輸出功率與功放單片的輸出功率的比值，用η表示：

(1)

式中，Pout為功率合成網(wǎng)絡(luò)的輸出功率，PMMIC為單個功率單元的輸出功率，N為合成網(wǎng)絡(luò)的支數(shù)。

功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的插入損耗、幅度、相位以及放大單元的不一致性都會造成功率合成效率的降低，因此需要使各路輸出信號幅度和相位盡量保持一致，同時減小分配/合成網(wǎng)絡(luò)的合成級數(shù)和降低插入損耗。

本文寬帶功率合成器設(shè)計采用平面電路式功率合成，由于功率合成網(wǎng)絡(luò)隨著級聯(lián)數(shù)目和合成損耗增加，合成效率將有所降低，因此本設(shè)計只采用一級設(shè)計方法。

X波段寬帶功率合成器方案圖如圖1所示。本設(shè)計選取GaAs芯片NBB-310作為驅(qū)動級放大，GaN芯片QPA1022作為末級功率放大，兩級各選取兩只芯片進行功率合成，以保證固態(tài)功率放大器的輸出功率要求。

圖1 功率合成器方案圖

1.2 功率合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

Wilkinson合成器作為有耗三端口網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)端口的全部匹配，還能滿足與輸出端較好的隔離。Wilkinson合成器由于本身的對稱性以及易于和功放芯片集成的特點，本文采用等功率分配的Wilkinson合成器，并在結(jié)構(gòu)上進行了改進。改進后的Wilkinson合成器的原理圖如圖2所示，Z1，Z2，Z3分別為微帶傳輸線的特性阻抗，l1，l2，l3分別為微帶傳輸線的長度，通過在Wilkinson合成器輸出端口添加電阻R達到匹配。由于單級Wilkinson合成器的工作帶寬有限，滿足不了整個X頻段，這里采用三階短枝節(jié)阻抗匹配拓展工作帶寬的方法，同時考慮到普通貼片電阻引入較大的寄生參數(shù)及電阻焊接引入的寄生參數(shù)造成的雜散響應(yīng)，選取一個隔離電阻進行優(yōu)化設(shè)計。

圖2 改進型Wilkinson合成器原理圖

1.2.1 偶模電路分析

根據(jù)圖3 Wilkinson合成器偶模電路和傳輸線理論分析得，當頻率處于f時，從傳輸線左端看去端口1的輸入阻抗為

圖3 Wilkinson合成器偶模電路

(2)

(3)

(4)

(5)

1.2.2 奇模電路分析

圖4 Wilkinson合成器奇模電路

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

2 天牛須優(yōu)化設(shè)計Wilkinson功率合成器

為了解決適應(yīng)度函數(shù)的優(yōu)化問題，許多仿生智能優(yōu)化算法被提出。傳統(tǒng)的遺傳算法具有全局搜索的能力，但是收斂精度不高且速度緩慢[12]。粒子群算法采取并行計算方法，有效提高合成器的設(shè)計效率，但是缺乏粒子速度的動態(tài)調(diào)節(jié)，容易陷入局部最優(yōu)并且計算方法復(fù)雜[13]。天牛須是2017年提出的一種仿生智能優(yōu)化算法，食物氣味為優(yōu)化函數(shù)本身，食物位置為尋優(yōu)極值點[14]。天牛須算法只須一個個體，即一只天牛。相比于粒子群算法，核心算法只有四行，運算量小，收斂速度快并能全局搜索[15]。

Wilkinson合成器優(yōu)化設(shè)計的目標是確定指定帶寬內(nèi)每個頻點下每一段傳輸線最佳的特性阻抗值Zi|i=1,2,…,k和電長度值βli|i=1,2,…,k使得各個端口實現(xiàn)良好的匹配，即各個端口在不同頻點下的反射系數(shù)Γ(fi)取得最小。

Wilkinson功分器工作頻段為8～12 GHz，通過輸入阻抗變換公式可以得出不同頻率點在端口的等效阻抗Zin(fi)|i=1,2…,k，不同頻率處各自的反射系數(shù)Γ(fi)為

(11)

這里適應(yīng)度函數(shù)F要求其在工作頻段上最大值最小。適應(yīng)度函數(shù)F為

天牛須優(yōu)化算法步驟如下：

1) 初始化： 建立一個k維空間，頻點fi|i=1,2,…,k可看作質(zhì)心X，其初始值由隨機函數(shù)rands生成。步長初始值為step,迭代次數(shù)為n，迭代系數(shù)η通常取值0.95。

2) 建模部分： 隨機產(chǎn)生一個向量dir表示天牛右須指向左須的方向。

dir=rands(k,1)

(13)

(14)

根據(jù)質(zhì)心位置X，兩須間距d0，可以得出右須和左須位置Xr、Xl：

Xr=X-d0*dir/2

(15)

Xl=X+d0*dir/2

(16)

對于適應(yīng)度函數(shù)F，分別求得Xr和Xl兩個位置的Fr和Fl并尋求最小值。當Fr小于Fl，質(zhì)心向右移動，否則向左移動，表示為

(17)

3) 迭代部分： 根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)F進行迭代，當F的取值滿足預(yù)先設(shè)置好的閾值或迭代次數(shù)滿足最大值，則結(jié)束適應(yīng)度函數(shù)的優(yōu)化，運算終止。天牛須算法優(yōu)化通過MATLAB實現(xiàn)，表1所示的為Wilkinson合成器的最初設(shè)計參數(shù)，并采用HFSS將得到的參數(shù)建模仿真驗證其可行性。表2將文獻[16]數(shù)值解法、文獻[9]粒子群算法及本文天牛須算法S參數(shù)優(yōu)化結(jié)果進行對比。

表1 Wilkinson合成器初始參數(shù)

表2 算法優(yōu)化結(jié)果對比 dB

從表2看出，天牛須優(yōu)化算法相比于數(shù)值解法和粒子群算法得到的Wilkinson合成器性能明顯改善。表3分別列舉了文獻[8]遺傳算法、文獻[17]粒子群算法及本文天牛須算法在迭代次數(shù)n為500,空間維數(shù)k為10的情況下的平均收斂次數(shù)、適應(yīng)度函數(shù)F趨于收斂穩(wěn)定時最優(yōu)值和計算復(fù)雜度。表中N表示種群數(shù)目，大O表示一個算法在運行過程中臨時占用存儲空間大小的量度，記作空間復(fù)雜度。

表3 算法優(yōu)化性能對比

從表3可以看出天牛須算法在迭代101次后趨于穩(wěn)定，此時適應(yīng)度函數(shù)F收斂的最優(yōu)值為0.000 34，與遺傳算法和粒子群算法相比，仿真結(jié)果表明該算法迭代次數(shù)少，效率更高，收斂速度和精度較好。表中給出算法的計算復(fù)雜度與空間維數(shù)和種群數(shù)目有關(guān)，天牛須算法只有一個種群數(shù)目，并當種群數(shù)目遠大于空間維數(shù)時，該算法更具有運算量小的優(yōu)勢，表3仿真結(jié)果驗證了天牛須算法的優(yōu)越性。

3 測試結(jié)果

3.1 Wilkinson合成器的測試

從微帶線可以承受的功率、散熱性能和制板成本考慮，本設(shè)計基板選用Rogers 4350B，其介電常數(shù)為3.66，厚度為0.508 mm，本文設(shè)計的Wilkinson合成器隔離電阻為121 Ω。由于實際實現(xiàn)性選用了0805封裝的100 Ω薄膜電阻。功分器兩平分臂之間的距離不宜過大，盡量使隔離電阻的寄生效應(yīng)減小，同時調(diào)節(jié)電阻的焊接位置，使其稍大于分支點的位置，降低電阻的寄生引線電感效應(yīng)[18-19]。設(shè)計中對微帶線直角外斜切45°,以改善微帶線的不連續(xù)性。Wilkinson合成器仿真和測試S參數(shù)如圖5所示。

圖5 Wilkinson合成器仿真和測試S參數(shù)

圖5測試結(jié)果表明，在X全波段具有良好的傳輸特性，插入損耗優(yōu)于0.5 dB，回波損耗和隔離度都優(yōu)于15 dB。由于微帶線的制作工藝誤差,介質(zhì)基板介電常數(shù)的偏差，電阻值、SMA頭所造成誤差以及相應(yīng)的測量誤差，導(dǎo)致HFSS理論仿真與實驗測試相比有些不足,但仍能滿足設(shè)計需求。表4是本文功分器與同頻段其他結(jié)構(gòu)功率合成器性能對比。

表4 功分器性能對比

表4結(jié)果表明,在X波段本文的功率合成器其具有幾何尺寸小、插入損耗低的優(yōu)點，并具有較好的隔離度。

3.2 功率合成測試

在測試過程中要做好靜電防護工作，否則會造成芯片損壞。功放器件選用GaN功放單片，測試時漏極電壓為22 V，柵極電壓-2.5 V，測試過程中要注意加正負電的順序。研制的X波段寬帶功率合成模塊尺寸為64 mm×44 mm×23 mm，Wilkinson合成器實物如圖6所示，功率合成器模塊如圖7所示。

圖6 Wilkinson合成器

圖7 功率合成模塊

測試在室溫下(25 ℃)的條件下進行，功率合成模塊測試場景如圖8所示。

圖8 功率合成模塊測試場景

該固態(tài)功率合成模塊在8.5～11 GHz頻帶內(nèi)輸出功率大于6.8 W，合成效率優(yōu)于86%。從實驗結(jié)果可以看出，功率合成器在高頻頻段的合成效率有所下降，其原因是由于功放芯片在高頻頻段的增益有所下降所引起。對于大功率的瓦級功率合成器來說，散熱設(shè)計是重點，如果合成器產(chǎn)生的熱量不能迅速散離，必將引起芯片結(jié)溫過高，造成芯片燒毀。在本文的設(shè)計中，除了適當加大散熱面積外，特別注重芯片到散熱板間的熱傳導(dǎo)設(shè)計。實驗表明，當功率合成器連續(xù)工作30 min后，放大器腔體溫度便趨于恒定，保持在55 ℃溫度上(環(huán)境溫度25 ℃)，即熱交換處于平衡狀態(tài)。圖9為功率合成模塊測試結(jié)果。

(a) 合成模塊輸出功率

(b) 合成模塊合成效率

4 結(jié)束語

本文對寬帶Wilkinson合成器的研究，提出采用天牛須算法對Wilkinson合成器優(yōu)化設(shè)計，相比于傳統(tǒng)的遺傳算法和粒子群算法具有收斂精度高、收斂速度快和運算量小的特點。Wilkinson寬帶合成器測試結(jié)果驗證了天牛須算法的可行性。并選取了兩只4 W功放芯片研制了一款X波段寬帶功率合成模塊，實現(xiàn)了兩路大功率、高效率的功率合成。測試結(jié)果表明在8.5～11 GHz頻率范圍內(nèi)，輸出功率大于6.8 W，合成效率優(yōu)于86%，驗證了Wilkinson功率合成模塊的高合成效率。