Ka頻段0.5W的毫米波功率放大器的設計

引言

隨著現代通信技術的發展，功率放大器已成為無線通信系統中一個不可或缺的部分。寬頻帶高速跳轉技術、寬頻帶擴頻技術對固態發射機提出了更高的要求，即射頻功率放大器寬帶化。混合集成電路（MIC）是實現固態功率放大器模塊的重要方式，其具有體積小、重量輕、可靠性高、制作成本低、易于調試等諸多優點，經歷了40多年的發展，現已成為一門舉足輕重的獨立技術。

設計要求和方案確定

本文報道一個寬帶功率放大器，頻率范圍為整個Ka頻段（26.SGHz—40GHz）。該放大器采用兩級放大結構，第一級采用安華高公司的AMMC-5040 MMIc功率驅動放大芯片，第二級采用南京55所的TPA2640MMIc功率放大芯片。由于該放大器工作在毫米波頻段，整個電路采用銅制的小腔體內，通過高頻接頭引出。該放大器最終工作在Ka頻段、輸出功率為0.5W。

本設計采用兩節放大結構，第一級為增益驅動放大，采用高增益寬帶AMMC-5040MMIC芯片，該芯片工作在20—45GHz，最高增益為25dB，增益平坦度±1.5dB，輸出1dB壓縮點為21dBm@38GHz。該芯片的版圖如圖1，增益曲線為圖2。

第二級放大器選用55所的功率放大器TPA2640，該芯片工作頻率26—40GHz，增益為22dB，飽和功率放大器輸出為27.5dBm。該MMIC芯片的版圖如圖3，增益曲線如圖4，飽和功率輸出隨頻率的變化曲線如圖5。

由兩個放大器芯片的增益曲線可知，AMMC—5040的高頻段增益要小于低頻段，而TPA2640正好相反，兩個放大器芯片級聯使用可以很好地調節整個頻段內的增益平坦度。

由于兩個放大器芯片都是裸片封裝，因此采用壓金絲的工藝對兩芯片進行連接。兩芯片跳金絲的示意圖如圖6。介質基板板材采用羅杰斯5880，厚度為0.127mm。在Ka頻段50歐姆微帶線的寬度為0.38mm。

偏置電源的設計

由于兩個放大器芯片都需要很大的偏置電流，因此電源的合理設計對整個放大器的性能影響很重要。由于兩芯片都需要負壓，因此電源設計中引入負壓保護電路。負壓保護電路的原理圖如圖7，當負壓未接而正壓已接的情況下，NPN晶體管的VBB=VEE，晶體管不導通，則電阻R1R2上沒有電流，MOs管的柵極與源級電壓相同，MOs管不導通，則電路沒有電壓輸出。當接通負壓后，NPN管導通，電阻R1，R2有電流通過，MOs管的源級電壓大于柵極電壓，MOS管導通，電路有12V電壓輸出。為防止穩壓片功率消耗過大產生過高的熱量導致穩壓片無法正常工作，本設計中采用兩路分別供電，每路采用兩級降壓設計，將功率損耗分攤，降低單一穩壓片的熱量產生。布線時盡量讓各個穩壓片的距離拉大，方便散熱。

腔體結構設計

由于該放大器工作在毫米波頻段，頻率比較高，為防止腔體自激頻率落入工作頻帶內，腔體的高度設計比較低。使用Solidworks三維制圖軟件對該放大器的腔體進行設計，腔體分上下兩個腔體，使用螺絲進行固定。為降低傳輸損耗，腔體采用銅材和表面鍍金處理。設計效果圖如圖8。

加工實物與調試

通過加工和裝配，最終設計實物圖如圖9，采用K接頭接信號輸入輸出。電源板防止在下腔體背面，通過調節電源偏置來調節最大輸出功率和增益。通過調試，最終結果為AMMC-5040漏極電壓為+6V，柵極電壓為0.5V，TPA2640的漏極電壓為+4.5V，柵極電壓為-0.8V。在該偏置電壓下該放大器在26.5GHz—40GHz頻段內最大輸出功率均大于27dBm，帶內平坦度小于3dB，各指標均滿足設計要求。

結語

本設計采用MMIc裸片封裝的毫米波功率放大器芯片設計一個Ka頻段的功率放大器。該放大器采用兩級放大器結構，最大輸出功率大于0.5W，帶內波動小于3dB。采用單片封裝，電路緊湊化設計，整個放大器包括接頭整體尺寸小于40mm×40mm。由于該組件直接固定在系統的大腔體上，因此散熱采用外接腔體散熱，長期工作時該放大器溫度在設計范圍內。