适用于MMIC的功率合成器设计

第88卷第1期0期第卷，第10Vol．　8，No．10

电电子子与与封装

ELECTRONICS & PACKAGING

总　第66期2008年10月

电适用于MMIC的功率合成器设计

成海峰，张　　斌

（南京电子器件研究所单片集成电路与模块国家重点实验室，南京 210016）

摘　要：设计了一种适用于对MMIC功率放大器进行合成的新型功率合成器。采用多端口网络理论对功率合成结构进行分析，结合MMIC功放单片的工作特点总结出该功率合成器最重要的设计指标，设计出工作在5GHz~6GHz的16路辐射线型功率合成器。通过测试发现该功率合成器的驻波＜1.5dB，各端口幅度不平衡度＜±0.4dB，相位不平衡度＜±2°，并具有较好的隔离度，整个功率合成器的直径小于56mm，非常适合用于C波段大功率的合成。最终采用该功率合成器在5GHz~6GHz的工作频率内成功获得160W的合成功率。关键词：合成器；辐射线功率合成结构；多端口网络；大功率

中图分类号：TN402　　　　　　　文献标识码：A　　　文章编号：1681-1070（2008）10-0010-04

Design of a Power Combiner for MMIC

CHENG Hai-feng, ZHANG Bin

（National Key Laboratory of Monolithic Integrated circuits & modules Nanjing Electronic Devices Institute,

Nanjing 210016, China）

Abstract: This paper shows a design of new power combiner used for combining MMIC power amplifiers. Weanalyzed the power combiner by N ports network theory, summarized the most important figures of a powercombiner, based on the characteristics of the MMIC power amplifiers. And then developed a 16 way radial powercombiner at 5GHz~6GHz which has the VSWRs＜1.5dB, the imbalance of the amplitude＜±0.4dB, as well asthe phase＜±2°among the ports, a high isolations, and also has a small size of 56mm diameter. Finally weobtained 160W combining power using this combiner in the band of operating frequency 5GHz~6GHz.Key words:combiner; radial power combiner structure; N ports network; high power

辐射线型功分功合结构由于体积小、损耗小、

1 引言

近些年来微波大功率合成技术成为了人们关注的焦点。由于微波大功率合成器件具有工作电压低、寿命长、体积小、耐冲击振荡强等优点，所以在军事和空间应用方面特别受到各国的重视。而在大功率合成结构的设计中，合成器的设计是最重要的环节，合成器指标的好坏将直接影响到整个功率合成结构的效率。

端口一致性好、合成效率高等特点，一直受到各国的广泛关注。但是，由于辐射线型结构功率合成器端口驻波较差、隔离度不高等原因，目前并未被正式用于大功率的合成。国外相关辐射线型结构的产品大多用作为信号的分路器，只有较少的文章采用此结构尝试较小功率合成[1]。本文首次针对MMIC功率放大器的特点和微波大功率合成的需求，设计出工作在5GHz~6GHz，适用于大功率合成的16路辐射线型功率合成结构。

收稿日期：2008-04-02

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第8卷第10期成海峰，张斌：适用于MMIC的功率合成器设计

由式（4）可以得出，2端口作为输入端其电压

2 功率合成器的设计分析

反射系数并不等于S22。无论是在仿真还是实际的测量过程中，我们只能得到S22而无法直接得到电压反我们要设计的16路功率合成器，是一个拥有17射系数。由于2端口是输入端，所以端口电压反射个端口的线性无源微波网路。（1）式是多端口网络直接影响到功率合成的效率。在理想的状态下，各的散射参量矩阵。

输入端口的输入信号完全一致，1端口没有激励信号，那么：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）

（5）

因为本文设计的功率合成器将用于MMIC功率其中N=16，……为各端口参考面上归一化入射波放大单片的合成，所以我们着重考虑了MMIC功率单电压，归一化反射波电压为……。

片的特性。由于MMIC功率单片之间存在一定程度的这个多端口网络具有一定的特殊性，如图1所不一致性，以及大量功率单片进行合成时会产生串示。在功率合成的时候，是16个端口作为输入，同扰，因此在设计合成器时一定要通过结构上的弥补以时加激励信号（不妨设为2~17端口），剩下的1端口减小信号不一致性对合成效率的影响。当我们考虑输作为输出。而作为功率分路的时候，1端口做输入有入各路信号的不一致性时，式（5）被改写成：

激励，2~17端口作为输出。

（6）

所以要减小信号不一致性对于输入端电压驻波比的影响，S23、S24……S2n需要尽量小，也就是说输入各端口的隔离度要尽可能高。而当S23、S24……S2n减小后，2端口的电压反射系数将主要由S22决定，因此S22对于合成效率也非常重要。

3 功率合成器的仿真及测试

图1 N路合成器的微波网路示意图

辐射线型的功率合成结构本身具有较好的端口一致性，所以在设计的过程中着重考虑了提高隔离在做功率合成时，2~17端口都是输入端口，都有度和输出驻波。我们在原有辐射线型功率合成器[2]激励存在，1端口是输出端。由上述的多端口网络参的基础上进行改进，图2所示的是此结构的电路模量矩阵可以得到功率合成的表达式：

型图。

（2）

根据式（2），考虑在输入各端口的电压一致的情况下，各端口的不平衡性直接影响到合成的效率。一旦出现明显的差异，会带来明显的损耗。所以在设计时，输入端口的一致性是一个很重要的指标。

再来看输入各端口，以2端口为例，首先写出2端口的反射波电压：

（3）

所以2端口的反射系数表达式如下：

（4）

图2 功率合成结构的电路模型图

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第8卷第10期

电子与封装

我们在原有的辐射线型功率合成器各路的末端通过1/4λ阻抗变换分成两支，一共形成16个输入支路。通过这样的结构可以有效增大带宽和优化输出端口的驻波。在每一个分支处都加上了隔离电阻，以增加支路间的隔离度。我们采用HFSS仿真软件对此结构进行建模和仿真，通过对各个参数的调节以获得最佳的尺寸数据。图3是制作完成的功率合成器的实物照片。本功率合成器体积非常小，外部直径为56mm。

小于±2

°。

（a）输出驻波

图3 功率合成器外观照片

对于制作完成的功率合成器的各项数据进行测试，图4是该功率合成器的输出和输入驻波。我们设计的是用于5GHz~6GHz的功率单片的功率合成器，从实测数据看来，此功率合成器的带宽已经超出所需的频段，是一种宽带功率合成器。我们把测试数据和仿真数据进行对比，实际制作的功率合成器频带和仿真的数据基本一致，电压驻波比方面，输入端口驻波＜1.7，输出端口驻波＜1.5，实测结果比仿真结果略差。图5是将两个功率合成器对接测得插入损耗，我们可以看到单个功率合成器在带内的插入损耗在0.8dB（其中包括接头和连接电缆的损耗）。实际测到的驻波比仿真结果略差以及插入损耗偏大的主要原因为：

（1）仿真时采用的介质和金属敷层的损耗参数设置比较理想化，和实际情况有出入；

（2）功率合成器对接采用同轴电缆，SMA接头和同轴电缆本身具有一定的损耗；

（3）该辐射线性功率合成器结构比较复杂，在加工制作和安装的过程中具有一定的误差。

对于功率合成器的另一个重要指标就是端口幅度和相位的不平衡性。在图6中我们可以看到，测得的16路功率合成器端口不平衡性相当令人满意。各端口的幅度不平衡度小于±0.4dB，相位不平衡度

（b）输入驻波

图4 功率合成器电压驻波比测量结果

图5功率合成器插入损耗测量结果

（a）电压幅度的不平衡性

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的功率合成器设计

4 结论

本文针对MMIC大功率功放的特点，改进了传统的辐射线型功分器，使其能够适用于对大功率单片进行合成，获得了预期的良好效果。本文首次采用辐射线型功率合成结构对MMIC功率芯片进行合成，并获得了大功率。实验结果证明了此功率合成器的可行性。此功率合成器具有体积小、效率高、平

（b）　相位的不平衡性图6 功率合成器的各端口不平衡性

衡性强、隔离度好等特点，可以广泛应用于各类微波大功率组件。参考文献：

［1］E. Belohoubek, R. Brown, H. Johnson, et al.. 30-way radial

power combiner for miniature GaAs FET power amplifiers[C]. IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., 1986,86(6):515-518.

［2］Aly E. Fathy, Sung-Woo Lee, David Kalokitis. A Simplified

Design Approach for Radial Power Combiners [C]. IEEETrans. Microw. Theory Tech, 2006, 54(1):247-255.［3］A. G. Williamson. Radial line/coaxial line stepped junction

[C]. IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. MTT-33,No.1,1985,1. 56-59.

［4］N. Marcuvitz. Waveguide Handbook [M]. NewYork: Peter

Peregrinus Ltd. 1986.89-100.

［5］吴万春. 微波网路及其应用[M]. 北京：国防工业出版社，

1980.

在端口隔离度方面，从图7我们可以看出，大部分端口之间的隔离度已经达到20dB以上了，略差的一组是处于同一分支的两路之间。对于一个单独一分二的结构，两路之间可以获得很高的隔离度，此处隔离度不理想的主要原因是在两路信号合成的地方，微波信号的传输模式发生了转变。微波开始由微带线的准TEM传输模式转变成辐射波导内的TEM模。但是相比较传统的辐射线型结构[2]，本功率合成器的端口隔离度已经有了明显的改善。

作者简介：

成海峰（1983-），男，江苏人，2005

图7 功分器各端口隔离度

年毕业于东南大学无线电工程系，现为南京电子器件研究所在读硕士研究

生，研究方向为微波大功率合成技术。

通过以上数据，我们可以发现本功率合成器已经达到既定要求，可以满足大功率合成的要求。最终，我们采用五十五所生产的12W 5GHz~6GHz的功率放大单片，初步得到160W的合成功率。（上接第9页）

强材料、芯片压焊验证和机台维护后验证，同时采用生产过程重点监控等办法来预防并解决裂纹、弹坑的产生问题。

作者简介：

王义贤（1962-），男，重庆大足人，上海财经大学MBA学历，现就职于华越芯装电子股份有限公司，多年一直从事塑封集成电路封装工艺技术、生

产运营和成本控制工作。

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