一種V波段近距探測毫米波功率放大器設計

宋立娜，李曉，葉榮欽

(中國空空導彈研究院8所，河南洛陽471009)

功率放大器是毫米波頻段發射機不可缺少的關鍵部件，輸出功率的大小決定了整個系統的作用距離和抗干擾能力。在毫米波系統中，隨著頻率的升高，單個MMIC芯片的輸出功率已經不能滿足實際的使用要求，尤其是非大氣窗口頻段，由于該頻段電磁波的傳輸受氧分子和水蒸氣分子吸收而衰減嚴重。一般應用于軍用保密工作及近距雷達探測、通訊系統中，相應的器件輸出功率也較小，因此，多采用功率合成的方法，將多個放大器單元組合在一起實現較大的功率輸出。

放大器工作在V波段，用于一種彈上近距探測系統，充分利用非大氣窗口波段的衰減特性實現保密和抗干擾。

1 功率放大器的設計

1.1 技術指標要求

按照系統的基本要求，放大器主要技術指標:工作帶寬2 GHz;輸出功率≥200 mW;增益20～25 dBm;輸入輸出口WR15。

1.2 功率器件的選取

為滿足技術指標的要求，選用工作頻帶較寬的三端FET功率放大器件。選取Eudyna Devices公司的FMM5715X作為功率合成單元，FMM5715X是端口阻抗內匹配為50 Ω的多管合成功率單片，工作頻率為57～64 GHz;工作溫度范圍:－45～+85℃，存儲溫度范圍－55～+125℃;最大允許輸入功率3 dBm;可單電源工作，在直流偏置3 V/150 mA條件下，60 GHz頻率處典型性能P1 dB為16 dBm，飽和功率17 dBm，小信號增益17 dB。特性參數如圖1所示。

1.3 合成網絡設計

1.3.1 合成網絡總體方案

在V波段，單管輸出功率遠遠達不到功率輸出需求，即使是采用多管合成的MMIC功率器件，單器件也滿足不了技術指標。于是，采用多器件的功率合成技術是完成本項目的必然選擇，目前比較成熟的功率合成技術是采用端口駐波較好的兩路電橋，由多級級聯實現多路合成。設計的放大器即采用基于波導低損耗傳輸線結構的兩路二進制多級功率合成技術，該合成網絡由兩部分組成，功率驅動級和功率放大合成級，每部分包括3級二進制網絡，由波導分支線電橋和波導－微帶過渡組成。合成網絡框圖如圖2所示。

圖2 V波段8路功率放大合成方案框圖

8路功率分配時，每一級網絡損耗計為0.3 dB，路徑損耗計為0.5 dB;若要使得所有合成時功率器件飽和工作，FMM5715X輸入功率應＞2 dBm，計入以上損耗后，折算到功率分配網絡輸入端的功率為12.4 dBm，顯然，驅動級由單路FMM5715X足以滿足這一要求。

當合成網絡中所有功率器件均處于飽和工作狀態時，對單級損耗為0.3 dB，3級功率合成，由損耗引起的合成效率為80%;若計合成支路間最大幅度和相位不平衡程度分別為3 dB、30°，引起相應合成效率為90%;對8路功率合成，總的合成效率為

對應的合成損耗為

計路徑(波導)損耗計為0.5 dB，則8路合成時，合成增益為

當器件飽和工作時，8路合成輸出為17+7.07=24.07 dBm或255 mW，滿足技術指標要求。電路各部分損耗為4.8 dB，整個合成放大器小信號增益約為29.2 dB。

1.3.2 兩路功率分配/合成網絡

在毫米波固態集成功率合成技術的研究中，有一種兩路波導微帶集成功率分配/合成網絡，如圖3所示。該結構由兩路面對面微帶探針經波導E面插入，實現同相寬帶功率分配/合成，同時又完成波導與微帶間的過渡轉換。兩微帶線處于面對面位置，當集成固態功率器件時，可提供良好的散熱通道，保證器件可靠工作和性能發揮。為獲得足夠的固態功率器件安裝空間，適當增加合成網絡部分波導尺寸，為滿足標準波導端口條件，根據工作帶寬要求，選擇適當的波導阻抗變換段。電磁場分析表明，在55～60 GHz范圍內，該結構損耗＜2 dB，與單個波導微帶過渡結構相當;由于結構對稱原因，兩微帶端口具有良好的幅度和相位平衡特性。

圖3 波導到微帶雙探針模型及仿真結果

1.3.3V波段3 dB波導分支電橋

兩級以上的功率合成需要建立在波導電橋基礎上，電橋的低損耗、寬頻帶以及良好的端口駐波和支路隔離是穩定可靠的功率合成技術前提。由于本項目要求的相對帶寬較窄，采用3個分支節就能達到指標要求。結構中，考慮到電橋加工可實現性，電橋波導截面尺寸適當增加，同時將波導分支節的耦合孔長度減小，寬度增加，使得所有加工尺寸＞1 mm，減小機械加工難度，提高相應誤差容量，降低加工成本。這種結構上的改進，降低了合成網絡中分支電橋與波導－微帶三端口網絡的連接不連續性大小。

圖4為3 dB波導分支電橋模型及電磁場分析結果。電磁場分析結果表明:該電橋在頻率55～60 GHz范圍內幅度不平衡度＜0.5 dB，兩輸出端口隔離度＞15 dB，回波損耗＜－16 dB;整個頻帶內，兩輸出口相差為恒定的90°。

圖43 dB波導分支節電橋模型及仿真結果

圖5為以上兩種電橋級聯實現的毫米波波導結構的微帶集成兩級四路功率合成/分配網絡，該結構采用一個分支波導作為輸入，利用這個分支波導來實現功率的第一級二等分，然后在分支波導的兩邊關于中心對稱的位置上各開兩個槽，利用微帶探針將能量耦合出來。輸入能量的4等分即可實現，分配網絡同時可作為合成網絡使用。電磁場仿真結果表明:在要求的頻帶范圍內，四路輸出端口不平衡度＜0.5 dB，輸入端口回波損耗＜－15 dB;整個頻帶內，2與3端口(或4與5端口)具有理想的同相位特性，2與4或5(或3與4或5)兩輸出口相差為恒定的90°。

圖5 V波段四路功率合成/分配網絡模型及仿真結果

2 實物及測試

V波段功率放大器的實物如圖6所示。在實驗室對功放的性能進行測試，功率放大器的輸入為0 dBm，實際的功率輸出如圖7所示，在工作頻帶內，輸出功率帶內波動＜0.5 dB。

3 結束語

對于彈上近距探測系統應用來說，一般需要幾百mW的峰值輸出功率，采用功率合成方法實現了250 mW的V波段功率放大器的設計，實際設計結果表明，功率放大器的體積、功耗等均達到系統總體的要求，并具有較好的散熱性效果，為V波段探測系統總體方案的實現以及工程應用提供了技術保證。

［1］ 甘體國．毫米波工程［M］．成都:電子科技大學出版社，2006．

［2］ 申明磊．V波段毫米波功率放大器研究［D］．南京，南京理工大學，2004．

［3］ 刁睿，徐銳敏．Ka波段分支波導－微帶雙探針功率合成網絡［C］．寧波:微波亞毫米波會議，2007．

［4］ 馬鳴霄，王昊，李志軍．毫米波發射端中頻調制的實現［J］．現代電子技術，2010(17):50－52．