一種新型毫米波功率放大器設(shè)計(jì)

解冰一，李春輝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種新型毫米波功率放大器設(shè)計(jì)

解冰一，李春輝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對(duì)現(xiàn)有合成方式的不足，提出了一種新型結(jié)構(gòu)四路波導(dǎo)分支耦合器，具有駐波好、隔離度高和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。介紹了波導(dǎo)—微帶探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)T型結(jié)的原理及設(shè)計(jì)方法，對(duì)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了建模仿真，通過(guò)優(yōu)化達(dá)到了功放設(shè)計(jì)所需的性能指標(biāo)。對(duì)有源電路的裝配工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。基于4個(gè)16 W功放模塊和四路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種50 W毫米波固態(tài)功率放大器，在所需頻段實(shí)現(xiàn)了大于50 W的輸出功率，整機(jī)效率高于18%。

毫米波；功率放大器；T型結(jié)；波導(dǎo)—微帶過(guò)渡；四路波導(dǎo)分支耦合器

0 引言

毫米波以其波長(zhǎng)短、頻帶寬和通信容量大等特點(diǎn)在現(xiàn)代通信系統(tǒng)發(fā)展領(lǐng)域表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。毫米波功率放大器是毫米波系統(tǒng)中的重要部件，已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、雷達(dá)、遙控、遙測(cè)、制導(dǎo)和無(wú)線電天文學(xué)等領(lǐng)域[1-2]。近些年，毫米波固態(tài)放大器件發(fā)展迅速，相比于傳統(tǒng)的電真空器件，具有體積小、可靠性高、工作電壓低和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[3]。但單片功放芯片的輸出功率有限，要實(shí)現(xiàn)大功率輸出必須采用功率合成方式[4-5]。

采用一種新型的波導(dǎo)T型結(jié)合成方式實(shí)現(xiàn)2個(gè)功放芯片的功率合成，再通過(guò)改進(jìn)型四合一分支電橋組件完成4個(gè)功率放大子模塊的合成，最終實(shí)現(xiàn)50 W功率輸出。2種合成方式相結(jié)合，具有插損小、隔離度高和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。平面電路到波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換采用一種漸變型波導(dǎo)—微帶探針的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，具有帶寬寬、插損小等優(yōu)點(diǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)

毫米波功率放大器的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)小功率芯片進(jìn)行多路合成，最終達(dá)到所需功率輸出。50 W功率放大器的組成框圖如圖1所示，驅(qū)動(dòng)放大器對(duì)小信號(hào)進(jìn)行初級(jí)放大，實(shí)現(xiàn)功率合成所需的激勵(lì)信號(hào)電平，4路16 W功放模塊合成輸出大于50 W的功率。16 W功放模塊由2個(gè)毫米波功放芯片合成實(shí)現(xiàn)。

無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是功放性能指標(biāo)優(yōu)劣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換是將信號(hào)從波導(dǎo)傳播形式轉(zhuǎn)換為平面微帶傳播，以便于通過(guò)平面放大芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。T型結(jié)完成2個(gè)功放芯片的第1次功率合成，四合一合路器完成4個(gè)功放模塊的功率合成。下面對(duì)3種無(wú)源器件的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的理論分析和仿真設(shè)計(jì)。

圖1 50 W功率放大器的組成

2 無(wú)源網(wǎng)絡(luò)理論分析及設(shè)計(jì)

2.1 波導(dǎo)—微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)

在毫米波頻段，目前常用的波導(dǎo)—微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)有探針過(guò)渡、鰭線過(guò)渡和脊波導(dǎo)過(guò)渡等。在這里選用波導(dǎo)—微帶探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)形式，該形式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工和工作頻段寬等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。

在波導(dǎo)—微帶探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)中，波導(dǎo)與微帶電路的連接有垂直和平行2種方式。考慮到本設(shè)計(jì)中固態(tài)器件的安裝方式和盒體結(jié)構(gòu)，選用波導(dǎo)短路面與微帶電路垂直的方式。微帶探針從波導(dǎo)的寬邊中心位置插入波導(dǎo)腔中，此處波導(dǎo)傳輸主模TE10模電場(chǎng)最大，同時(shí)需要一個(gè)短路面來(lái)形成電抗與插入探針形成的電抗抵消[8]。理論上，可以近似假設(shè)細(xì)探針上電流是按正弦駐波分布的，此時(shí)形成無(wú)限細(xì)線電流形式：

I=I0×sink0d-y，0≤y≤d，

式中，d為探針插入的深度。

微帶探針的輸入阻抗：

Z=R+jX，

其中，

式中，β10為矩形波導(dǎo)TE10模的傳播常數(shù)；a和b分別為波導(dǎo)寬邊和窄邊的長(zhǎng)度。通過(guò)調(diào)整短路面位置L和探針插入深度d，可以使探針阻抗的電納X為零，并使輻射電阻R與50 Ω微帶線匹配，以達(dá)到最佳耦合效果[6，9]。通常情況下，還會(huì)在50 Ω微帶線與探針之間加入一段阻抗匹配段，以滿足寬帶需求。

在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件仿真可以得到精確的設(shè)計(jì)結(jié)果。在HFSS中建立的一個(gè)毫米波頻段波導(dǎo)—微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)的仿真模型如圖2所示。波導(dǎo)接口為標(biāo)準(zhǔn)BJ-320接口，微帶線為石英基板微帶探針。微帶的阻抗變換采用漸變形式，可有效增加帶寬，減小回波損耗。波導(dǎo)—微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果圖3所示，在26～40 GHz頻率范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)的回波損耗優(yōu)于-20 dB，插入損耗小于0.1 dB。

圖2 波導(dǎo)—微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)仿真模型

圖3 波導(dǎo)—微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

2.2 波導(dǎo)T型結(jié)功分/合成器

波導(dǎo)T型結(jié)是一種典型的無(wú)耗三端口網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工，在毫米波功放中是一種常用的功分/合成器[10]。

波導(dǎo)T型結(jié)有H面T型和E面T型2種分支形式，根據(jù)功放整體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)需要，選用波導(dǎo)E-T分支形式。波導(dǎo)E-T分支是在主波導(dǎo)的寬邊面上進(jìn)行分支，其軸線平行于主波導(dǎo)的TE10模的電場(chǎng)方向，是一種串聯(lián)分支。普通E-T接頭的分支區(qū)是不連續(xù)的，各端口存在比較大的反射，為了實(shí)現(xiàn)比較良好的匹配性能，在T型結(jié)3個(gè)端口的連接處加入了一個(gè)三角錐型的感性柱，從而抵消了部分分支中帶來(lái)的反射分量[11]。在HFSS中建立一個(gè)E-T分支結(jié)構(gòu)的仿真模型，如圖4所示，2個(gè)分支中加入了階梯漸變結(jié)構(gòu)，可有效拓展帶寬。波導(dǎo)E-T型功分/合成器仿真結(jié)果如圖5所示，在26～40 GHz頻率范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)的回波損耗優(yōu)于-20 dB，插入損耗小于0.06 dB。

圖4 波導(dǎo)E-T型功分/合成器仿真模型

圖5 波導(dǎo)E-T型功分/合成器仿真結(jié)果

2.3 四路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)

在多路數(shù)功率合成中，各支路間信號(hào)的不平衡性明顯增強(qiáng)，要求各支路端口駐波好，端口之間隔離度高。因此，必須考慮四端口網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率的分配與合成[12-13]。

分支波導(dǎo)耦合器是一種常見(jiàn)的四端口網(wǎng)絡(luò)，可以用作3 dB電橋來(lái)實(shí)現(xiàn)功率分配與合成，主要由輸入/輸出口、直通口、耦合口和隔離口4個(gè)端口組成，如圖6所示。

圖6 分支波導(dǎo)耦合器原理示意

工作原理：當(dāng)作為分配器時(shí)，信號(hào)從1端口輸入，在2端口和3端口等分輸出，且相位差為90°，放大器串接在直通口和耦合口后面，當(dāng)放大器完全匹配時(shí)，則信號(hào)被放大后正常輸出；當(dāng)放大器不完全匹配時(shí)，在直通口和耦合口將產(chǎn)生反射信號(hào)，此時(shí)隔離口的匹配負(fù)載將會(huì)完全吸收反射信號(hào)。當(dāng)作為合成器時(shí)，經(jīng)過(guò)放大的功率信號(hào)以90°相差分別進(jìn)入3端口和2端口，若端口匹配且2路信號(hào)在1端口同相時(shí)，信號(hào)合成輸出，反之，反射信號(hào)將進(jìn)入隔離口被負(fù)載吸收[14]。

在HFSS中建立一個(gè)一分四E面分支波導(dǎo)耦合器模型，如圖7所示。設(shè)計(jì)中需合理選擇耦合孔數(shù)量，耦合孔數(shù)量增加可增加工作帶寬，但同時(shí)也會(huì)增加插入損耗，折中考慮，選擇5個(gè)耦合孔。在仿真中通過(guò)調(diào)節(jié)耦合孔的寬度和孔間距來(lái)改變分支波導(dǎo)的特性阻抗，以滿足4個(gè)分支端口功率平分的性能。在多路功率合成時(shí)，不僅需要幅度一致，還需要保證4路分支口相位一致，或者滿足4個(gè)分支口相位差為90°。在此，通過(guò)調(diào)整分支臂的長(zhǎng)度補(bǔ)償分支口的相位，以滿足相位要求，從而在背靠背合成使用時(shí)在合成端口實(shí)現(xiàn)等相位合成。四路功分/合成網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果如圖8所示，在28～34 GHz頻率范圍內(nèi)，四路分支口輸出的幅度一致性≤±0.3 dB，輸入口回波≤-18 dB。

圖7 四路功分/合成網(wǎng)絡(luò)仿真模型

圖8 四路功分/合成網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果

3 有源電路設(shè)計(jì)

在毫米波功放的研制中，無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)難度主要在前期的建模仿真以及后期的加工精度上。而有源電路的設(shè)計(jì)難度則更多的在于裝配精度和工藝處理上。

功放芯片選用QORVO公司的基于GaN工藝的裸芯片，飽和輸出功率≥9 W，漏極供電電壓+20 V。由于功率管為耗盡型器件，需對(duì)溝道進(jìn)行預(yù)夾斷，因而采用一種時(shí)序電路控制功放的上電順序。加電時(shí)保證先加?xùn)艠O電壓，再加漏極電壓，斷電時(shí)先斷漏極電壓，再斷柵極電壓[15]。

熱設(shè)計(jì)是功放可靠工作的重要保障，選用的MMIC芯片大小為3.6 mm×3.2 mm，產(chǎn)生的熱量最大將近40 W。對(duì)于功放芯片的散熱，通常的做法是先將芯片放置在載體上，再將載體固定在表面鍍金的銅或者鋁的基座上。載體材料的選擇要遵循兩大原則：① 高的熱傳導(dǎo)率，使芯片產(chǎn)生的熱量能迅速擴(kuò)散到載體上，擴(kuò)大散熱面積；② 和芯片相近的熱膨脹系數(shù)，避免長(zhǎng)期的熱脹冷縮導(dǎo)致芯片與載體之間產(chǎn)生位移，損壞芯片。目前載體材料采用較多的是鎢銅合金，然后在載體表面鍍金。芯片和載體的裝配，以及載體和基座的固定均采用共晶焊接的工藝，共晶焊接不僅有熱阻小，散熱快的優(yōu)點(diǎn)，還具有機(jī)械強(qiáng)度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[16]。

功放模塊性能的一致性是最終實(shí)現(xiàn)功率合成的基礎(chǔ)。導(dǎo)致功放模塊性能差異的除了芯片本身特性的不一致外，就是裝配過(guò)程中引入的差異。芯片本身不一致是不可控因素，而裝配精度則可以通過(guò)設(shè)計(jì)和裝配經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制。在盒體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制盒體加工精度，合理采用公差設(shè)計(jì)，保證載體以及探針的準(zhǔn)確安裝。在裝配過(guò)程中，要盡量保證芯片與載體的共晶焊以及載體與盒體的共晶焊位置相同，同時(shí)探針的裝配位置也要盡量一致。芯片的輸入輸出接口是50 Ω微帶線，通過(guò)金絲焊接的工藝與探針連接，對(duì)于金絲的數(shù)量以及金絲的焊接點(diǎn)位置需要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，以保證對(duì)阻抗的影響最小[17]。

4 整機(jī)實(shí)現(xiàn)及測(cè)試結(jié)果

對(duì)調(diào)試好的功放模塊進(jìn)行測(cè)試，4個(gè)功放模塊的輸出功率及相位測(cè)試結(jié)果如表1所示，測(cè)試數(shù)據(jù)均是在相同激勵(lì)電平下得到，其中相位是以1號(hào)功放模塊為標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)后測(cè)試得到的。在相同頻點(diǎn)，4個(gè)功放模塊的幅度一致性≤±0.2 dB，相位一致性≤± 10°。

表1 功放模塊一致性測(cè)試結(jié)果

在4個(gè)16W功放模塊和四路功率分配/合成器基礎(chǔ)上，依照?qǐng)D1的組成原理，裝配成50 W毫米波功率放大器。4個(gè)功放模塊平行螺裝在散熱底板上，采用風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱。對(duì)功放輸出功率、反射功率以及溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握其工作狀態(tài)。同時(shí)對(duì)4個(gè)功放模塊的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定其是否工作正常。對(duì)功率放大器進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 50 W功率放大器測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于波導(dǎo)—微帶探針轉(zhuǎn)換和波導(dǎo)T型結(jié)設(shè)計(jì)了16 W功放模塊，幅度一致性優(yōu)于±0.2 dB，相位一致性優(yōu)于≤±10°，該模塊一致性好，結(jié)構(gòu)緊湊，適合作為子模塊進(jìn)行功率合成。在16 W功放模塊和四路功率分配/合成器的基礎(chǔ)上，研制了一種50 W毫米波固態(tài)功率放大器，在29～31 GHz頻率范圍內(nèi)，飽和輸出功率大于53 W，整機(jī)效率高于18%。該功率放大器在航天測(cè)控、衛(wèi)星通信等場(chǎng)合具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景，同時(shí)也可以作為功率子模塊，結(jié)合大功率波導(dǎo)合成器實(shí)現(xiàn)更大功率輸出。

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DesignofaNovelMillimeter-wavePowerAmplifier

XIE Bingyi,LI Chunhui

(The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China)

In order to solve the deficiency of the current binary power combination,a novel four-way branch-waveguide coupler is presented,which features low VSWR,high isolation and compact construction.The principle and design method of waveguide-microstrip transition and T-junction waveguide is introduced.And the simulation models of passive network are founded,which achieved the required performance through optimizing.The assembling technology of active circuit is introduced briefly.A 50 W millimeter-wave solid power amplifier is developed,based on four 16 W power amplifier modules and four-way power divider/combiner.The output power of power amplifier is more than 50 W in desired frequency band,and the efficiency is more than 18%.

millimeter-wave；power amplifier；T-junction；waveguide-microstrip transition；branch-waveguide coupler

2017-07-28

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2013AA122101)

10.3969/j.issn.1003-3106.2018.01.11

解冰一,李春輝.一種新型毫米波功率放大器設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2018,48(1):50-54.[XIE Bingyi,LI Chunhui.Design of a Novel Millimeter-wave Power Amplifier[J].Radio Engineering,2018,48(1):50-54.]

TN722

A

1003-3106(2018)01-0050-05

解冰一男，(1986—)，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)精密儀器及機(jī)械專業(yè)，碩士，工程師。主要研究方向：微波功率放大器。

李春輝男，(1973—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：微波功率放大器。

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