用于Ku波段卫星通信50W波导功率合成方案

方案概述

摘要：波导功率合成技术可有效解决单个功率放大器芯片输出功率有限的问题，在工程中应用广泛。针对Ku波段卫星通信发射机的高功率要求，提出一种基于波导结构、集成波导-微带转换的功率分配/合成网络。设计选用标准矩形波导WR-62，将波导功分/合成器、波导E面微带探针以及MMIC芯片进行级联，将两个输出功率为45dBm（31.6W）的MMIC芯片进行功率合成，借助HFSS三维电磁仿真软件进行设计优化，在发射频段13.75-14.5GHz范围内，最大输出功率可达47.5dBm(56.2W)，合成效率可达89％，最大功率附加效率33％，IM3≤-30dBc。

应用背景

1.卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个或多个地球站之间进行通信。卫星通信在军事和民事领域获得了广泛应用，电视广播、海事卫星、远程卫星通信方面均大有作为，而且作为防灾、救灾、处理突发事件的应急通讯手段，卫星通信拥有其得天独厚的优势。

2.Ku波段由于具有信息容量大、带宽宽，保密性好等特点，作为一种新型卫星通信方式，目前已经在高速卫星通信、宽带数字传输、个人卫星通信方面广泛应用。Ku频段大功率功放是Ku频段卫星通信系统发射机中的必不可少的核心部件，高EIRP和雨衰的现实都对Ku频段的功放提出很高要求。

同时，受限于整体方案的体积、重量、功耗等要求，为了获得更大的输出功率，常常需要采用波导空间功率合成的方法将多个功率器件集成在一个功率合成放大器中，一方面减小功率合成的体积，降低发射机的重量，另一方面实现模块化结构的设计思路，提高设备的可靠性和可维修性。

仿真分析、展示

1.三维电磁仿真建模

波导功率合成方案主要是由宽带波导E-T分支功分/合成器、波导E面微带探针、MMIC芯片连接微带，这三部分组成。

2.波导E-T分支功分/合成器三维电磁仿真建模

波导E-T分支功分器属于T型结功率分配嚣的一种，由于其结构简单、体积小、应用灵活，是微波工程中常用的三端口元件。

在T型结处会产生电磁波的不连续，同时伴有杂散场或高阶模，造成端口驻波的恶化，通常采用突台的形式，添加在T型结的公共端口上，用来抑制杂散场或高阶模，改善端口的驻波。

3.波导E面微带探针、MMIC芯片连接微带三维电磁仿真建模

1）波导微带探针具有结构紧凑、容差好等特点，在微波/毫米波电路中广泛采用。在波导E面探针结构中，MMIC芯片可以置于波导空间外，安装不受波导横截面尺寸限制，能够为固态高功率器件提供良好的散热通道。

2）由于微带探针的等效输入阻抗成容性，并且探针的宽度越宽，等效的电容效应越强，所以在设计波导E面微带探针时，需要设计一段成感性的高阻抗线来抵消电容效应。

4.MMIC芯片连接微带三维电磁仿真建模

1）MMIC芯片连接微带用来和功率芯片通过键合金丝连接，为防止功率芯片加电后自激，需要对MMIC芯片连接微带的屏蔽腔体进行仿真设计。屏蔽腔体可能会产生寄生模式，当寄生模式的频率范围覆盖腔体的谐振频率时，就会产生腔体谐振，进而造成功率芯片的自激震荡。

2）波导E面微带探针和MMIC芯片连接微带采用介质基片型号为Rogers 5880，厚度0.254mm，介质基片的相对介电常数为2.2。

5.Ku波段卫星通信50W波导功率合成方案仿真结果

经过HFSS电磁仿真优化，Ku波段卫星通信50W波导功率合成方案，实现在12-16GHz范围内，S11≤-15dB，S21≤0.2dB，同时相位一致性良好。

在发射频段13.75-14.5GHz范围内，S11≤-25dB，S21≤0.08dB，满足设计方案的需求。

 

6.Ku波段卫星通信50W波导功率合成三维结构图

1）50W波导功率合成的结构件分为上下两个波导腔体，通过螺钉固定上下盒体，在上盒体设计一加电电路板，用来给MMIC芯片加电并进行相应的调试，加电线通过设计的穿孔到达MMIC芯片。

2）为保证散热性，结构件采用铜镀银，铜具有良好的导热性能，表面电镀银，一方面是保证芯片的烧结安装，另一方面减少结构件的表面毛刺，提高微波性能。

3）外形尺寸为39.2*38*33.3mm（不含供电电路板）

 

7.Ku波段卫星通信50W波导功率合成PCB板

8.Ku波段卫星通信50W波导功率合成方案成品

9.Ku波段卫星通信50W波导功率合成方案测试结果

输出功率VS频率

增益VS频率

效率VS频率（Pin=22dBm）

测试结果：在频段13.75-14.5GHz范围内，饱和输出功率Psat≥47.5dBm，饱和增益Gp≥22.5dB，功率附加效PAE≥33％，经计算合成效率可达89％，满足设计使用要求。

小结

本设计主要选用标准矩形波导WR-62，通过宽带波导E-T分支功分/合成器、波导E面微带探针、MMIC芯片连接微带将两个输出功率为45dBm（31.6W）的MMIC芯片进行功率合成，最终实现在频段13.75-14.5GHz范围内，饱和输出功率Psat≥47.5dBm，饱和增益Gp≥22.5dB，功率附加效PAE≥33％，合成效率≥89％的Ku波段卫星通信50W波导功率合成方案，该功率合成方案具有输出功率大、结构简单、热沉好并且体积小，可以做为单个功率合成放大器，也可做为功率模块使用，易于批量生产，具有广泛的实际工程应用价值。

审核编辑：汤梓红