第10卷第9期第10卷，第9期Vol．10，No．9
电子与封装
ELECTRONICS & PACKAGING
总 第89期2010年9月
Ka波段100W固态功率合成器
徐建华，蔡 昱，汪珍胜，钱兴成
（南京电子器件研究所，南京 210016）
摘 要：随着科技发展，对大功率的需求越来越高，但是单个固态功率放大器输出功率有限，功率合成技术应运而生。文章介绍了一种利用波导实现Ka波段芯片级功率合成的方法。首先介绍了两路波导功率合成器的模型，分析了影响功率合成效率的因素，推导出合成效率最大化的条件。然后借助HFSS软件进行仿真优化，依托精密机加工技术制作出来的波导功率合成器可以在4GHz带宽内VSWR＜1.5，LOSS＜0.5dB。合成的基本单元3W模块由两个1.8W的MMIC通过Lange桥合成，在装入壳体合成之前单独调试，确保功率相等，相位一致。最后采用该合路器在35GHz~35.4GHz的工作频率内成功获得100W的合成功率，合成效率达85％以上，测试数据和模拟数据基本吻合。关键词：功率合成器；波导；固态功率放大器
中图分类号：TN73 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2010）09-0005-03
Ka-band 100W Solid Power Combiner
XU Jian-hua, CAI Yu, WANG Zhen-sheng, QIAN Xing-cheng（Nanjing Electronic Devices Institute, Nanjing 210016, China）
Abstract: Waveguide combiner has good efficiency, which is suitable for high power and high frequencycombining especially.A method of Ka-band power combining using waveguide is proposed and studied in thispaper. First, a prototype 2-way waveguide combiner is presented. Some factors effecting the power combiningefficiency are discussed., and the max efficiency and its condition are deduced.We use HFSS to simulate, thenmachining the waveguide combiner by exact process. Its VSWR＜1.5, LOSS＜0.5dB over 4GHz bandwidth.The3W module is combined by two 1.8W MMICs using Lange combiner. Debuging befor assembling respectively.Insure they have equivalent power outputs and phases. Measured results show a good agreement with simu-lated ones. Output of over 100W and combining efficiency of over 85% is achieved in the band of operatingfrequency 35GHz ~35.4GHz.
Key words:power combiner; waveguide; solid power amplifier
左右，这使得固态微波功率器件在大功率领域的使
1 引言
随着半导体材料和制造工艺的进步，人们在固态微波器件领域取得了突飞猛进的进展，做到在小功率领域全部取代了电真空器件，但是在大功率领域固态器件比电真空器件功率相差约3~4个数量级
用受到了限制，而固态功率合成技术可以使固态发射机的功率提高2~3个数量级。
相对于传统电真空发射机，固态发射机具有寿命长、易获得长脉冲宽度、工作电压低、不需要预热时间等优点。固态发射机可完成功率放大、对射频信号进行脉冲调制、高电压隔离变换及过压、过
收稿日期：2010-06-06
第10卷第9期
电子与封装
热等多种保护功能。
功率合成是指把若干相关工作的器件合成或者通过累加若干分立器件，以产生较大的功率输出。合成方式按电路可分为谐振腔式合成和非谐振腔式合成，非谐振腔式合成包括威尔金森合成、Lange桥合成、径向线合成；按空间合成方式可分为准光功率合成、自由空间功率合成、波导内空间功率合成，其他合成方式有介质波导合成、推挽合成、谐振帽合成、分布电路合成、谐波合成等。本文介绍的是波导空间合成。
合成和H面合成两种形式，本文介绍的8路波导功合器均采用E面合成方式，图3是E面波导两合成器示意图。为分析各个参数对合成功率的影响，对合路器建立三端口散射矩阵，a表示输入功率波，b表示发射功率波，图4给出合成器网络散射参数示意图。
2 功率放大器设计
2.1 功率放大器功率合成方案
8路波导功分、功合器将8个16W功放模块合成大于100W的输出功率，图1是Ka波段功率放大器原理框图，其中16W功放模块是由Lange桥和4路功合器将8路3W模块功合而成，图2是16W功率模块合成原理框图。
图3 E面波导两合成器示意图
图4 合成器网络散射参数示意图
在信号源1和源2同频率下，合成网路特性为
（1）
在理想状态下，信号源与负载完全匹配，合成
图1 Ka波段功率放大器原理框图
器的输出功率为：
b3=S31a1+S32a2+S33a3 （2）当a3=0时，则有：
b3=S31a1+S32a2 （3）定义a1=A1ejβ1，a2=A2ejβ2，S31=C1ejψ1，S32=C2ejψ2，则合成器输出信号可以表示为：
b3=S31a1+S32a2
=C1A1ej（β1＋ψ1）+ C2A2ej（β2＋ψ2） （4）由以上表达式可以看出，合成器输出功率的大
图2 16W功率模块合成原理框图
小取决于输入信号的幅度和相位以及合路器散射矩阵中各元素的幅度和相位，当波导合路器一旦制成，调整其各项参数比较困难，散射矩阵就已确定，只能通过控制输入信号的幅度和相位达到输出功率的最大化，图5给出了实际制作的Ka波段8路波导合路器的照片。
该方案的优点在于微带二合成的3W模块体积小、结构简单、各模块可以在调试至功率、相位一致后装入腔体，总体调试方便，模块的热量能通过安装面较好地传导到固放的侧壁上。缺点主要在于3W模块采用的微带合成效率不高；E面8路波导分路（合路）器的体积大，加工精度要求高；模块数量较多，装配工作量大且要求较高。2.2 8路波导合成器的设计
波导合成器是空间功率合成的一种，它有E面3 测试结果
3.1 8路功率合成器测试
第10卷第9期徐建华，蔡 昱，汪珍胜，等：Ka波段100W固态功率合成器
3.2 功率放大器测试
图8给出了Ka波段固态功率放大器输出功率及效率曲线。通过曲线，可以发现本功率合成器已经达到既定的设计要求，采用本单位生产的1.8W34GHz～36GHz的功率放大单片，初步得到100W以上的合成功率。图9给出了Ka波段固态功率放大器外形照片。
图5 八路波导合成器外观照片
图6给出了8路波导合路器输出端口驻波的计算值和实测值，图7给出了8路波导合路器插入损耗的计算值和实测值。
图8 Ka波段固态功放输出功率及效率曲线
图6 8路波导合成器输出端口驻波
图9 Ka波段固态功率放大器外形照片（225mm×110mm×120mm）
图7 8路波导合成器插入损耗
从实测数据可以看出此功率合成器是一种宽带的功率合成结构。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数据基本一致。在33GHz～37GHz范围内，输出端口电压驻波比方面，仿真值≤1.1，实测结果＜1.5；插入损耗方面，仿真值在－9.1dB～－8.9dB之间，实际测试在－9.5dB～－9.1dB。两者均比仿真结果略差，主要原因可以总结为以下几点：
（1）仿真时采用的金属敷层的损耗参数设置为理想化，和实际情况有出入；
（2）波导合路器结构复杂，在8mm波段波导尺寸较小，对加工制作和安装的要求较高，实际加工中肯定会带来误差；
（3）在8mm波段对测试要求较高，同时测试时需将波导转换为K头，仪表校准和波导转K头均会带来一定的测试误差。
4 结论
利用波导可以实现多路芯片合成，合成效率高、频带宽、可靠性好，波导结构特别适合大功率高频率的功率合成。宽频带、低杂散、高效率的MMIC是合成的基础，精密的机械加工和高质量的电镀工艺，保证了波导分路（合路）器的均匀性和对称性，可以有效抑制高次模的产生，这是波导合成的关键，决定了合成效率。参考文献：
［1］ E. Belohoubek, R. Brown, H. Johnson, et al..30-way radial
power combiner for miniature GaAs FET power amplifi-ers [C]. IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., 1986,86(6): 515-518.
［2］Aly E. Fathy, Sung-Woo Lee, David Kalokitis. A Simpli-
（下转第37页）
第10卷第9期胡
进，司建文，李华新：工艺过程中生瓷带收缩问题研究
综合以上三次试验，我们能够知道生瓷带在流延放置一段时间后，收缩依然存在，如果时间足够长收缩会逐渐停止。为了兼顾批量生产和高精度加工的需要，试验二、三采用的预烘烤工艺和预压工艺都能显著减小生瓷带的收缩量，对解决工艺中出现的众多偏移问题行之有效。
同时，对预烘烤工艺和预压工艺进行优化，可以得到更加稳定的生瓷带。图7是提高预烘烤温度和时间的效果，图8是提高预压压力和时间的效果。
6 结束语
采用各种有效的工艺方法，最大限度减小生瓷带的收缩是我们追求的目标。但是，在实施某些手段进行收缩控制的同时，必须要注意这些工艺方法是不是会带来一些新的工艺问题。比如说，采用预烘烤工艺，其烘烤时间、温度、烘烤方式要控制适度，否则在控制收缩的同时可能会出现生瓷层间难以结合、生瓷表面变脆打孔崩缺等问题；采用预压工艺，其预压的压力、时间需要控制到位，否则在控制收缩的同时可能会出现生瓷层间难以结合、收缩率变化大等问题。
另外，即使生瓷带进行了预处理，在工艺过程中还有很多环节会造成生瓷带的变形，这一点也需要在工艺中加以关注，例如打孔、打腔等。
围绕着生瓷带变形控制还有大量的研究需要开展，国内同行已经开展了很多卓有成效的工作，积
图7 提高预烘烤温度和时间的效果累了丰富的经验，鉴于本人学识所限，文中不当之处在所难免，敬请大家不吝指正。参考文献：
［1］田民波.电子封装工程[M].北京：清华大学出版社，2003.
作者简介：
胡 进（1981-），男，大学本科，中国电子科技集团公司第55研究所工程师，主要从事外壳的设计与工艺研
图8 提高预压压力和时间的效果
究工作。
（上接第7页）
fied Design Approach for Radial Power Combiners [C]. IEEE Trans. Microw. Theory Tech, 2006,54(1):247–255.［3］A. G. Williamson. Radial line/coaxial line stepped junction
[C]. IEEE Trans. Microw. Theory Tech.,1985,MTT33(1):56–59.
［4］N. Marcuvitz. Waveguide Handbook [M]. NewYork: Peter
Peregrinus Ltd. 1986:89-100.
［5］程诗叙，项钟.大功率固态功放合成效率研究[J].电视技
作者简介：
徐建华（1977-），男，江苏人，2000年毕业于南京理工大学电光学院，现为南京电子器件研究所工程师，从事
微波电路方面的研究。
术,2007,47(1).
第10卷第9期第10卷，第9期Vol．10，No．9
电子与封装
ELECTRONICS & PACKAGING
总 第89期2010年9月
Ka波段100W固态功率合成器
徐建华，蔡 昱，汪珍胜，钱兴成
（南京电子器件研究所，南京 210016）
摘 要：随着科技发展，对大功率的需求越来越高，但是单个固态功率放大器输出功率有限，功率合成技术应运而生。文章介绍了一种利用波导实现Ka波段芯片级功率合成的方法。首先介绍了两路波导功率合成器的模型，分析了影响功率合成效率的因素，推导出合成效率最大化的条件。然后借助HFSS软件进行仿真优化，依托精密机加工技术制作出来的波导功率合成器可以在4GHz带宽内VSWR＜1.5，LOSS＜0.5dB。合成的基本单元3W模块由两个1.8W的MMIC通过Lange桥合成，在装入壳体合成之前单独调试，确保功率相等，相位一致。最后采用该合路器在35GHz~35.4GHz的工作频率内成功获得100W的合成功率，合成效率达85％以上，测试数据和模拟数据基本吻合。关键词：功率合成器；波导；固态功率放大器
中图分类号：TN73 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2010）09-0005-03
Ka-band 100W Solid Power Combiner
XU Jian-hua, CAI Yu, WANG Zhen-sheng, QIAN Xing-cheng（Nanjing Electronic Devices Institute, Nanjing 210016, China）
Abstract: Waveguide combiner has good efficiency, which is suitable for high power and high frequencycombining especially.A method of Ka-band power combining using waveguide is proposed and studied in thispaper. First, a prototype 2-way waveguide combiner is presented. Some factors effecting the power combiningefficiency are discussed., and the max efficiency and its condition are deduced.We use HFSS to simulate, thenmachining the waveguide combiner by exact process. Its VSWR＜1.5, LOSS＜0.5dB over 4GHz bandwidth.The3W module is combined by two 1.8W MMICs using Lange combiner. Debuging befor assembling respectively.Insure they have equivalent power outputs and phases. Measured results show a good agreement with simu-lated ones. Output of over 100W and combining efficiency of over 85% is achieved in the band of operatingfrequency 35GHz ~35.4GHz.
Key words:power combiner; waveguide; solid power amplifier
左右，这使得固态微波功率器件在大功率领域的使
1 引言
随着半导体材料和制造工艺的进步，人们在固态微波器件领域取得了突飞猛进的进展，做到在小功率领域全部取代了电真空器件，但是在大功率领域固态器件比电真空器件功率相差约3~4个数量级
用受到了限制，而固态功率合成技术可以使固态发射机的功率提高2~3个数量级。
相对于传统电真空发射机，固态发射机具有寿命长、易获得长脉冲宽度、工作电压低、不需要预热时间等优点。固态发射机可完成功率放大、对射频信号进行脉冲调制、高电压隔离变换及过压、过
收稿日期：2010-06-06
第10卷第9期
电子与封装
热等多种保护功能。
功率合成是指把若干相关工作的器件合成或者通过累加若干分立器件，以产生较大的功率输出。合成方式按电路可分为谐振腔式合成和非谐振腔式合成，非谐振腔式合成包括威尔金森合成、Lange桥合成、径向线合成；按空间合成方式可分为准光功率合成、自由空间功率合成、波导内空间功率合成，其他合成方式有介质波导合成、推挽合成、谐振帽合成、分布电路合成、谐波合成等。本文介绍的是波导空间合成。
合成和H面合成两种形式，本文介绍的8路波导功合器均采用E面合成方式，图3是E面波导两合成器示意图。为分析各个参数对合成功率的影响，对合路器建立三端口散射矩阵，a表示输入功率波，b表示发射功率波，图4给出合成器网络散射参数示意图。
2 功率放大器设计
2.1 功率放大器功率合成方案
8路波导功分、功合器将8个16W功放模块合成大于100W的输出功率，图1是Ka波段功率放大器原理框图，其中16W功放模块是由Lange桥和4路功合器将8路3W模块功合而成，图2是16W功率模块合成原理框图。
图3 E面波导两合成器示意图
图4 合成器网络散射参数示意图
在信号源1和源2同频率下，合成网路特性为
（1）
在理想状态下，信号源与负载完全匹配，合成
图1 Ka波段功率放大器原理框图
器的输出功率为：
b3=S31a1+S32a2+S33a3 （2）当a3=0时，则有：
b3=S31a1+S32a2 （3）定义a1=A1ejβ1，a2=A2ejβ2，S31=C1ejψ1，S32=C2ejψ2，则合成器输出信号可以表示为：
b3=S31a1+S32a2
=C1A1ej（β1＋ψ1）+ C2A2ej（β2＋ψ2） （4）由以上表达式可以看出，合成器输出功率的大
图2 16W功率模块合成原理框图
小取决于输入信号的幅度和相位以及合路器散射矩阵中各元素的幅度和相位，当波导合路器一旦制成，调整其各项参数比较困难，散射矩阵就已确定，只能通过控制输入信号的幅度和相位达到输出功率的最大化，图5给出了实际制作的Ka波段8路波导合路器的照片。
该方案的优点在于微带二合成的3W模块体积小、结构简单、各模块可以在调试至功率、相位一致后装入腔体，总体调试方便，模块的热量能通过安装面较好地传导到固放的侧壁上。缺点主要在于3W模块采用的微带合成效率不高；E面8路波导分路（合路）器的体积大，加工精度要求高；模块数量较多，装配工作量大且要求较高。2.2 8路波导合成器的设计
波导合成器是空间功率合成的一种，它有E面3 测试结果
3.1 8路功率合成器测试
第10卷第9期徐建华，蔡 昱，汪珍胜，等：Ka波段100W固态功率合成器
3.2 功率放大器测试
图8给出了Ka波段固态功率放大器输出功率及效率曲线。通过曲线，可以发现本功率合成器已经达到既定的设计要求，采用本单位生产的1.8W34GHz～36GHz的功率放大单片，初步得到100W以上的合成功率。图9给出了Ka波段固态功率放大器外形照片。
图5 八路波导合成器外观照片
图6给出了8路波导合路器输出端口驻波的计算值和实测值，图7给出了8路波导合路器插入损耗的计算值和实测值。
图8 Ka波段固态功放输出功率及效率曲线
图6 8路波导合成器输出端口驻波
图9 Ka波段固态功率放大器外形照片（225mm×110mm×120mm）
图7 8路波导合成器插入损耗
从实测数据可以看出此功率合成器是一种宽带的功率合成结构。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数据基本一致。在33GHz～37GHz范围内，输出端口电压驻波比方面，仿真值≤1.1，实测结果＜1.5；插入损耗方面，仿真值在－9.1dB～－8.9dB之间，实际测试在－9.5dB～－9.1dB。两者均比仿真结果略差，主要原因可以总结为以下几点：
（1）仿真时采用的金属敷层的损耗参数设置为理想化，和实际情况有出入；
（2）波导合路器结构复杂，在8mm波段波导尺寸较小，对加工制作和安装的要求较高，实际加工中肯定会带来误差；
（3）在8mm波段对测试要求较高，同时测试时需将波导转换为K头，仪表校准和波导转K头均会带来一定的测试误差。
4 结论
利用波导可以实现多路芯片合成，合成效率高、频带宽、可靠性好，波导结构特别适合大功率高频率的功率合成。宽频带、低杂散、高效率的MMIC是合成的基础，精密的机械加工和高质量的电镀工艺，保证了波导分路（合路）器的均匀性和对称性，可以有效抑制高次模的产生，这是波导合成的关键，决定了合成效率。参考文献：
［1］ E. Belohoubek, R. Brown, H. Johnson, et al..30-way radial
power combiner for miniature GaAs FET power amplifi-ers [C]. IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., 1986,86(6): 515-518.
［2］Aly E. Fathy, Sung-Woo Lee, David Kalokitis. A Simpli-
（下转第37页）
第10卷第9期胡
进，司建文，李华新：工艺过程中生瓷带收缩问题研究
综合以上三次试验，我们能够知道生瓷带在流延放置一段时间后，收缩依然存在，如果时间足够长收缩会逐渐停止。为了兼顾批量生产和高精度加工的需要，试验二、三采用的预烘烤工艺和预压工艺都能显著减小生瓷带的收缩量，对解决工艺中出现的众多偏移问题行之有效。
同时，对预烘烤工艺和预压工艺进行优化，可以得到更加稳定的生瓷带。图7是提高预烘烤温度和时间的效果，图8是提高预压压力和时间的效果。
6 结束语
采用各种有效的工艺方法，最大限度减小生瓷带的收缩是我们追求的目标。但是，在实施某些手段进行收缩控制的同时，必须要注意这些工艺方法是不是会带来一些新的工艺问题。比如说，采用预烘烤工艺，其烘烤时间、温度、烘烤方式要控制适度，否则在控制收缩的同时可能会出现生瓷层间难以结合、生瓷表面变脆打孔崩缺等问题；采用预压工艺，其预压的压力、时间需要控制到位，否则在控制收缩的同时可能会出现生瓷层间难以结合、收缩率变化大等问题。
另外，即使生瓷带进行了预处理，在工艺过程中还有很多环节会造成生瓷带的变形，这一点也需要在工艺中加以关注，例如打孔、打腔等。
围绕着生瓷带变形控制还有大量的研究需要开展，国内同行已经开展了很多卓有成效的工作，积
图7 提高预烘烤温度和时间的效果累了丰富的经验，鉴于本人学识所限，文中不当之处在所难免，敬请大家不吝指正。参考文献：
［1］田民波.电子封装工程[M].北京：清华大学出版社，2003.
作者简介：
胡 进（1981-），男，大学本科，中国电子科技集团公司第55研究所工程师，主要从事外壳的设计与工艺研
图8 提高预压压力和时间的效果
究工作。
（上接第7页）
fied Design Approach for Radial Power Combiners [C]. IEEE Trans. Microw. Theory Tech, 2006,54(1):247–255.［3］A. G. Williamson. Radial line/coaxial line stepped junction
[C]. IEEE Trans. Microw. Theory Tech.,1985,MTT33(1):56–59.
［4］N. Marcuvitz. Waveguide Handbook [M]. NewYork: Peter
Peregrinus Ltd. 1986:89-100.
［5］程诗叙，项钟.大功率固态功放合成效率研究[J].电视技
作者简介：
徐建华（1977-），男，江苏人，2000年毕业于南京理工大学电光学院，现为南京电子器件研究所工程师，从事
微波电路方面的研究。
术,2007,47(1).