一種W波段1W功率放大模塊設計

何寒冰

（上海朱光亞戰略科技研究院 上海市 201306）

1 前言

在現代太赫茲通信或者雷達系統中，倍頻器、低噪放、功率放大器和天線等為各系統關鍵核心部件[1]。功率放大模塊通常用于發射端，在更高頻率段，通常也將其用于二極管級封裝的多次倍頻器的推動級，因此使用廣泛[2]。對于太赫茲通信系統應用而言，對線性度、雜散、體積以及功耗等要求較高，因此模塊設計時難度更大。在高頻率段，由于電磁波波長較短，對模塊設計和裝配精確度要求相對提高，因此需要電磁仿真軟件如HFSS 等全建模仿真。在毫米波頻段場景應用，通常采用波導傳輸電磁波信號，使得微帶探針波導轉換結構因其帶寬寬、轉換方便、體積小等優點，大量應用于各系統中。

本W 波段功率放大器采用三代寬禁帶半導體GaN 基芯片，能提供1W 左右的射頻功率，經過實際項目驗證，實現批量穩定生產和應用，滿足現階段實際需求。

2 功放模塊設計

本模塊采用WR-10 標準波段接口設計，模塊中主要包含GaN基MMIC 功放芯片、電源上電時序控制PCB、石英基片W 波段微帶探針、饋電絕緣子和波導腔體等構成。其中GaN 功放芯片（與前級倍頻器和驅動放大器配合）提供W 波段1W 射頻功率信號，電源PCB 提供15V 電源電壓和功放芯片負壓偏置電壓并提供上電時序，石英微帶探針將芯片和波導完美過渡，芯片通過腔體上焊接的饋電絕緣子實現裸官芯和電源PCB 的過渡與饋電。模塊電路結構圖如圖 1 所示。

2.1 GaN基功放芯片

GaN 是第三代寬禁帶半導體典型材料（Eg>2.2eV），其禁帶寬度高達3.4eV。寬禁帶材料因禁帶寬度寬，具有耐壓高、耐溫高、抗輻射和能承受大功率等特性，大量運用于電力電子行業和射頻功率器件。同時因其為直接帶隙半導體材料，發光效率高，在高速、大功率的光電元件中也應用廣泛。隨著人們對功率要求越來越高，以及5G 等領域大量使用，低成本和大批量的GaN 射頻芯片將大量使用[3]。本模塊使用中國電科集團的W 波段GaN 射頻功率芯片。該芯片采用0.1um 的GaN 工藝，以GaN 高電子遷移率晶體管（HMET）為放大單元進行片上功率合成[4]。其外形尺寸為外形尺寸：3.4mm×1.43mm×0.05mm，工作電壓偏置電壓在15V 左右，柵極偏置負壓在-1.5V 左右，典型的附加效率在15%左右。該芯片的靜態工作電流為300mA 左右，其在92 GHz -96GHz 頻率段內，連續波工作模式下，在線芯片測試具有30dBm 的功率輸出。

圖1：W 波段功放模塊電路結構圖

2.2 電源上電時序控制PCB

對于功放芯片而言，要求嚴格上電時序，否則可能會導致溝道電流過大使得其溫度過高而燒毀芯片，因此必須先給芯片上負電后再給芯片加正電。本PCB 采用先將+15V 轉換為+5V，再將+5V轉換成-5V，通過一功能電路控制大功率PMOS 管的形式。當上電后，先有+15V 穩壓成+5V 電壓后LM828M5X 工作產生-5V 電壓，之后T2222 三極管開啟工作，將PMOS 柵極上拉電壓+5V 下拉到負-2.5V 左右，進而將PMOS 開關管IR7416 打開，完成功放芯片正+15V 的時序上電（即先有柵極負壓，再給芯片Vd 供電）。其中Vg1 和Vg2 為電阻可調電壓，給功率放大器提供柵極偏壓。其電路原理圖如圖 2 所示。

2.3 W波段微帶探針

對于微帶探針，可以根據不同的需求選取不同的材料，如Rogers5880、石英基片以及AlN 基片等等。本模塊采用50μm 厚的石英基片，設計了E 面微帶探針，將芯片射頻信號轉換到波導中。通過電磁仿真軟件HFSS 建模和優化，單獨探針插損在0.05dB 以內，駐波在108GHz 以內均在-20dB 以下。其探針腔體模型和S 參數仿真優化結果如圖 3 和圖4 所示。

圖2：負壓饋電時序控制電路原理圖

圖3：92GHz W 波段石英基片探針模型

2.4 W波段芯片封裝模型

根據芯片尺寸和探針，建立合適的HFSS 模型，重點優化芯片處的腔體結構，以消除帶內諧振，減小帶內插損。模型和優化如圖5 和圖6 所示。

3 功放模塊

經過仿真優化，要求所加工腔體和石英基片精度5μm 以內，最后通過按照微組裝相關要求進行裝配，最后，用數字電源，安捷倫頻率源和VDI 功率計以及W 波段10dB 固定衰減器，結合八倍頻器和W 波段驅動放大器對產品進行測試。測試結果如圖7 和圖8 所示。通過測試結果可以看到，封裝效果比較好，在90GHz-98GHz 內，輸出功率均在29.5dBm 以上，說明模型和裝配比較理想。

4 結論

封裝設計了W 波段輸出功率為1W 的功率放大器模塊，并對模塊中用到的各個電路結構進行討論和仿真。雖然受儀器限制，沒有測試模塊的輸入輸出駐波，但實際功放模塊測試結果顯示，在92 GHz -98GHz 內，輸出功率均在29.5dBm 以上，說明封裝和裝配效果比較好，封裝插損在1dB 以內。

圖4：92GHz W 波段石英基片探針模型和仿真結果

圖5：94GHz W 波段功放模型

圖6：94GHz W 波段功放仿真結果

圖7：W 波段1W 功放測試鏈路

圖8：W 波段1W 功放測試曲線