一种新型毫米波功率放大器设计

解冰一，李春辉

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

一种新型毫米波功率放大器设计

解冰一，李春辉

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对现有合成方式的不足，提出了一种新型结构四路波导分支耦合器，具有驻波好、隔离度高和结构紧凑等优点。介绍了波导—微带探针过渡结构和波导T型结的原理及设计方法，对无源网络进行了建模仿真，通过优化达到了功放设计所需的性能指标。对有源电路的装配工艺进行了简要介绍。基于4个16 W功放模块和四路功率分配/合成网络，设计了一种50 W毫米波固态功率放大器，在所需频段实现了大于50 W的输出功率，整机效率高于18%。

毫米波；功率放大器；T型结；波导—微带过渡；四路波导分支耦合器

0 引言

毫米波以其波长短、频带宽和通信容量大等特点在现代通信系统发展领域表现出明显的优势。毫米波功率放大器是毫米波系统中的重要部件，已广泛应用于卫星通信、雷达、遥控、遥测、制导和无线电天文学等领域[1-2]。近些年，毫米波固态放大器件发展迅速，相比于传统的电真空器件，具有体积小、可靠性高、工作电压低和寿命长等优点[3]。但单片功放芯片的输出功率有限，要实现大功率输出必须采用功率合成方式[4-5]。

采用一种新型的波导T型结合成方式实现2个功放芯片的功率合成，再通过改进型四合一分支电桥组件完成4个功率放大子模块的合成，最终实现50 W功率输出。2种合成方式相结合，具有插损小、隔离度高和结构紧凑等优点。平面电路到波导的转换采用一种渐变型波导—微带探针的过渡结构，具有带宽宽、插损小等优点。

1 总体设计

毫米波功率放大器的设计理念是通过小功率芯片进行多路合成，最终达到所需功率输出。50 W功率放大器的组成框图如图1所示，驱动放大器对小信号进行初级放大，实现功率合成所需的激励信号电平，4路16 W功放模块合成输出大于50 W的功率。16 W功放模块由2个毫米波功放芯片合成实现。

无源网络的设计是功放性能指标优劣的关键环节。波导微带转换是将信号从波导传播形式转换为平面微带传播，以便于通过平面放大芯片对信号进行放大。T型结完成2个功放芯片的第1次功率合成，四合一合路器完成4个功放模块的功率合成。下面对3种无源器件的设计进行详细的理论分析和仿真设计。

图1 50 W功率放大器的组成

2 无源网络理论分析及设计

2.1 波导—微带过渡结构

在毫米波频段，目前常用的波导—微带过渡结构有探针过渡、鳍线过渡和脊波导过渡等。在这里选用波导—微带探针过渡结构形式，该形式具有结构简单、易于加工和工作频段宽等优点[6-7]。

在波导—微带探针过渡结构中，波导与微带电路的连接有垂直和平行2种方式。考虑到本设计中固态器件的安装方式和盒体结构，选用波导短路面与微带电路垂直的方式。微带探针从波导的宽边中心位置插入波导腔中，此处波导传输主模TE10模电场最大，同时需要一个短路面来形成电抗与插入探针形成的电抗抵消[8]。理论上，可以近似假设细探针上电流是按正弦驻波分布的，此时形成无限细线电流形式：

I=I0×sink0d-y，0≤y≤d，

式中，d为探针插入的深度。

微带探针的输入阻抗：

Z=R+jX，

其中，

式中，β10为矩形波导TE10模的传播常数；a和b分别为波导宽边和窄边的长度。通过调整短路面位置L和探针插入深度d，可以使探针阻抗的电纳X为零，并使辐射电阻R与50 Ω微带线匹配，以达到最佳耦合效果[6，9]。通常情况下，还会在50 Ω微带线与探针之间加入一段阻抗匹配段，以满足宽带需求。

在理论计算的基础上，通过软件仿真可以得到精确的设计结果。在HFSS中建立的一个毫米波频段波导—微带过渡结构的仿真模型如图2所示。波导接口为标准BJ-320接口，微带线为石英基板微带探针。微带的阻抗变换采用渐变形式，可有效增加带宽，减小回波损耗。波导—微带过渡结构仿真结果图3所示，在26～40 GHz频率范围内，该结构的回波损耗优于-20 dB，插入损耗小于0.1 dB。

图2 波导—微带过渡结构仿真模型

图3 波导—微带过渡结构仿真结果

2.2 波导T型结功分/合成器

波导T型结是一种典型的无耗三端口网络，其结构简单、易于加工，在毫米波功放中是一种常用的功分/合成器[10]。

波导T型结有H面T型和E面T型2种分支形式，根据功放整体设计的结构需要，选用波导E-T分支形式。波导E-T分支是在主波导的宽边面上进行分支，其轴线平行于主波导的TE10模的电场方向，是一种串联分支。普通E-T接头的分支区是不连续的，各端口存在比较大的反射，为了实现比较良好的匹配性能，在T型结3个端口的连接处加入了一个三角锥型的感性柱，从而抵消了部分分支中带来的反射分量[11]。在HFSS中建立一个E-T分支结构的仿真模型，如图4所示，2个分支中加入了阶梯渐变结构，可有效拓展带宽。波导E-T型功分/合成器仿真结果如图5所示，在26～40 GHz频率范围内，该结构的回波损耗优于-20 dB，插入损耗小于0.06 dB。

图4 波导E-T型功分/合成器仿真模型

图5 波导E-T型功分/合成器仿真结果

2.3 四路功率分配/合成网络

在多路数功率合成中，各支路间信号的不平衡性明显增强，要求各支路端口驻波好，端口之间隔离度高。因此，必须考虑四端口网络来实现功率的分配与合成[12-13]。

分支波导耦合器是一种常见的四端口网络，可以用作3 dB电桥来实现功率分配与合成，主要由输入/输出口、直通口、耦合口和隔离口4个端口组成，如图6所示。

图6 分支波导耦合器原理示意

工作原理：当作为分配器时，信号从1端口输入，在2端口和3端口等分输出，且相位差为90°，放大器串接在直通口和耦合口后面，当放大器完全匹配时，则信号被放大后正常输出；当放大器不完全匹配时，在直通口和耦合口将产生反射信号，此时隔离口的匹配负载将会完全吸收反射信号。当作为合成器时，经过放大的功率信号以90°相差分别进入3端口和2端口，若端口匹配且2路信号在1端口同相时，信号合成输出，反之，反射信号将进入隔离口被负载吸收[14]。

在HFSS中建立一个一分四E面分支波导耦合器模型，如图7所示。设计中需合理选择耦合孔数量，耦合孔数量增加可增加工作带宽，但同时也会增加插入损耗，折中考虑，选择5个耦合孔。在仿真中通过调节耦合孔的宽度和孔间距来改变分支波导的特性阻抗，以满足4个分支端口功率平分的性能。在多路功率合成时，不仅需要幅度一致，还需要保证4路分支口相位一致，或者满足4个分支口相位差为90°。在此，通过调整分支臂的长度补偿分支口的相位，以满足相位要求，从而在背靠背合成使用时在合成端口实现等相位合成。四路功分/合成网络仿真结果如图8所示，在28～34 GHz频率范围内，四路分支口输出的幅度一致性≤±0.3 dB，输入口回波≤-18 dB。

图7 四路功分/合成网络仿真模型

图8 四路功分/合成网络仿真结果

3 有源电路设计

在毫米波功放的研制中，无源网络的设计难度主要在前期的建模仿真以及后期的加工精度上。而有源电路的设计难度则更多的在于装配精度和工艺处理上。

功放芯片选用QORVO公司的基于GaN工艺的裸芯片，饱和输出功率≥9 W，漏极供电电压+20 V。由于功率管为耗尽型器件，需对沟道进行预夹断，因而采用一种时序电路控制功放的上电顺序。加电时保证先加栅极电压，再加漏极电压，断电时先断漏极电压，再断栅极电压[15]。

热设计是功放可靠工作的重要保障，选用的MMIC芯片大小为3.6 mm×3.2 mm，产生的热量最大将近40 W。对于功放芯片的散热，通常的做法是先将芯片放置在载体上，再将载体固定在表面镀金的铜或者铝的基座上。载体材料的选择要遵循两大原则：① 高的热传导率，使芯片产生的热量能迅速扩散到载体上，扩大散热面积；② 和芯片相近的热膨胀系数，避免长期的热胀冷缩导致芯片与载体之间产生位移，损坏芯片。目前载体材料采用较多的是钨铜合金，然后在载体表面镀金。芯片和载体的装配，以及载体和基座的固定均采用共晶焊接的工艺，共晶焊接不仅有热阻小，散热快的优点，还具有机械强度高、可靠性高等优点[16]。

功放模块性能的一致性是最终实现功率合成的基础。导致功放模块性能差异的除了芯片本身特性的不一致外，就是装配过程中引入的差异。芯片本身不一致是不可控因素，而装配精度则可以通过设计和装配经验进行控制。在盒体设计时应严格控制盒体加工精度，合理采用公差设计，保证载体以及探针的准确安装。在装配过程中，要尽量保证芯片与载体的共晶焊以及载体与盒体的共晶焊位置相同，同时探针的装配位置也要尽量一致。芯片的输入输出接口是50 Ω微带线，通过金丝焊接的工艺与探针连接，对于金丝的数量以及金丝的焊接点位置需要进行合理的设计，以保证对阻抗的影响最小[17]。

4 整机实现及测试结果

对调试好的功放模块进行测试，4个功放模块的输出功率及相位测试结果如表1所示，测试数据均是在相同激励电平下得到，其中相位是以1号功放模块为标准校准后测试得到的。在相同频点，4个功放模块的幅度一致性≤±0.2 dB，相位一致性≤± 10°。

表1 功放模块一致性测试结果

在4个16W功放模块和四路功率分配/合成器基础上，依照图1的组成原理，装配成50 W毫米波功率放大器。4个功放模块平行螺装在散热底板上，采用风机进行散热。对功放输出功率、反射功率以及温度进行监测，实时掌握其工作状态。同时对4个功放模块的电流进行监测，确定其是否工作正常。对功率放大器进行整机测试，结果如表2所示。

表2 50 W功率放大器测试结果

5 结束语

本文基于波导—微带探针转换和波导T型结设计了16 W功放模块，幅度一致性优于±0.2 dB，相位一致性优于≤±10°，该模块一致性好，结构紧凑，适合作为子模块进行功率合成。在16 W功放模块和四路功率分配/合成器的基础上，研制了一种50 W毫米波固态功率放大器，在29～31 GHz频率范围内，饱和输出功率大于53 W，整机效率高于18%。该功率放大器在航天测控、卫星通信等场合具有很强的应用前景，同时也可以作为功率子模块，结合大功率波导合成器实现更大功率输出。

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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

国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2013AA122101)

10.3969/j.issn.1003-3106.2018.01.11

解冰一,李春辉.一种新型毫米波功率放大器设计[J].无线电工程,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—)，毕业于合肥工业大学精密仪器及机械专业，硕士，工程师。主要研究方向：微波功率放大器。

李春辉男，(1973—)，高级工程师。主要研究方向：微波功率放大器。

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