Q波段固態(tài)功率放大器12W模塊的設(shè)計

蔡德龍　劉成安　蔡鐘斌　呂濤

摘 要：針對傳統(tǒng)功率放大器體積大、功率低等問題，采用Triquint公司的TGA4046微波功率放大芯片，利用功率合成的方法研制了一種適用于Q波段43.5 GHz～45.5 GHz固態(tài)功率放大器12 W模塊。對功放模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)作了詳細介紹，利用電磁仿真軟件CST對該模塊進行建模并仿真優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)具有較好的幅相一致性、較高的匹配性能、較低的損耗等特點。設(shè)計的整機模塊具有體積小、易散熱等特點?？捎么四K研制該頻段更高功率的放大器，為小型化、大功率固態(tài)功放的研制提供了思路。

關(guān)鍵詞：固態(tài)功放；仿真；功率合成；TGA4046

中圖分類號：TN72 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）08-00-04

0 引 言

微波功率放大器作為發(fā)射機中至關(guān)重要的部件，廣泛應(yīng)用在空間電子、雷達、電子對抗、衛(wèi)星通信、氣象預(yù)警、環(huán)境監(jiān)測、遙感遙測等軍用和民用系統(tǒng)中，是目前研究的熱點領(lǐng)域。當前，微波固態(tài)功率放大器具有穩(wěn)定性高、體積小、效率高、易集成、使用方便等優(yōu)點。而微波固態(tài)功放是否具備足夠大的發(fā)射功率是其能否在系統(tǒng)中可靠工作的重要因素。單個MMIC功放芯片的功率輸出有限，為了獲得較大的功率，通常采用功率合成的方法實現(xiàn)。功率合成技術(shù)經(jīng)過近年來的高速發(fā)展，已發(fā)展為管芯型功率合成、電路型功率合成、空間功率合成和混合型功率合成等研究方向[1]。文獻[2，3]利用多路同軸徑向合成技術(shù)研制了S波段800 W及以上的功率放大器，對超大功率放大器的研究是一個重大突破。在高頻段機載和星載系統(tǒng)中，對功放體積有著極為苛刻的要求。因此，如何研制大功率、小型化的功放是目前需解決的兩個關(guān)鍵問題。

國內(nèi)對于Q頻段固態(tài)功放的研究相對較少，研究最多的固態(tài)功放在Ka頻段。而對于功放模塊的研究已有很多嘗試。文獻[4-6]研究的功放模塊雖有較小的體積，但其研究的頻段均在18 GHz以下，對于Q波段及更高頻率的功放研究國內(nèi)更是寥寥無幾。如在V及以上波段的MMIC放大器[7-9]，其輸出功率為mW量級，國外亦如此[10，11]。而一些W波段放大器能達到kW級功率[12]，但其工作條件限制了功放的廣泛應(yīng)用。本文研究的Q波段固態(tài)功率放大器模塊的輸出功率為12 W的連續(xù)波，工作頻率為43.5 GHz～45.5 GHz，整個模塊插損低于1 dB，結(jié)構(gòu)緊湊，完全滿足小型化的應(yīng)用需求。

1 分析與設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)分析

考慮到所設(shè)計功放模塊的功率要求，該模塊也采用功率合成的方法[13]。根據(jù)現(xiàn)有條件，利用一個功率分配結(jié)構(gòu)將輸入信號分配成若干工作單元得到多路信號，在每個工作單元分別加上信號放大級，如功放芯片或器件等對各個單元支路信號進行放大，然后經(jīng)過一個功率合成結(jié)構(gòu)將各經(jīng)過放大的支路信號合成一路信號，最后將信號輸出。

按照以上思路，如何設(shè)計該模塊的功分/合成網(wǎng)絡(luò)、如何選用功率放大芯片是設(shè)計功放模塊的主要方面。在設(shè)計過程中，應(yīng)當盡可能地減少信號傳輸路徑的損耗，使得整機具有較高的工作效率。常見的功率分配/合成結(jié)構(gòu)有Wilkinson功分器、3 dB耦合器、3 dB電橋、T形功分器波導(dǎo)魔T等結(jié)構(gòu)。在信號的傳輸方式上，相對于傳輸線，采用均勻波導(dǎo)傳輸微波信號具有更低的損耗。Wilkinson功分器常用于帶狀線毫米波系統(tǒng)中，基于波導(dǎo)的3 dB耦合器和3 dB電橋在頻率較低的情況下具有較好的幅相一致性[14，15]，在更高頻率的情況下，幅相特性會惡化，從而降低合成效率。因此采用波導(dǎo)魔T和T型結(jié)構(gòu)作為功率合成/分配網(wǎng)絡(luò)，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、平衡性好、損耗低的優(yōu)良性能，提高了整個功分/合成網(wǎng)絡(luò)的效率。

1.2 功率器件

功放芯片作為Q波段固態(tài)功率放大器12 W模塊最為核心的器件，對芯片的選擇綜合考慮了芯片的工作帶寬、功率輸出、插入損耗、工作效率、飽和增益、尺寸、成本等多種因素。近年來，相對于傳統(tǒng)功放使用的行波管，單片微波集成電路（MMIC）的使用越來越體現(xiàn)了其優(yōu)越性[16]，故決定采用Triquint公司的TGA4046芯片。TGA4046芯片以微波研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的GaAs為材料，利用0.15 μm的pHEMT工藝研制的MMIC。其供電電壓為Vd=6 V，電流為Id=2 A，適用頻段為41～46 GHz，在17 dBm驅(qū)動功率推動下，飽和輸出功率可達33 dBm，具有17 dB的標稱增益，16 dB的回波損耗，是目前Q波段43.5 GHz～45.5 GHz范圍內(nèi)最大輸出功率的商用MMIC芯片。芯片尺寸為3.45 mm×4.39 mm×0.10 mm，研制該模塊時，需要采用專業(yè)的微組裝技術(shù)。常溫環(huán)境下，最長使用壽命可達106小時，能保證模塊長期穩(wěn)定可靠地工作。TGA4046的外形和主要指標如圖1所示。

1.3 整體結(jié)構(gòu)

由于所采用的功放芯片的最大射頻輸出功率僅有2 W（33dBm），因此必須使用多個這樣的芯片以達到整個模塊12W輸出功率的目標。考慮到功分/合成網(wǎng)絡(luò)的損耗以及MMIC輸入/出口與波導(dǎo)之間的微帶-波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)的損耗，擬采用8片TGA4046實現(xiàn)12 W功率輸出。

基于以上分析，要設(shè)計的Q波段固態(tài)功率放大器12 W模塊內(nèi)部包含兩個波導(dǎo)魔T結(jié)構(gòu)、4個E面T形功分/合成結(jié)構(gòu)，8個單片微波集成電路（MMIC）。加上必要的隔離措施，再將8個單片微波集成電路（MMIC）每兩個芯片為一組背靠背置于4個單元腔體內(nèi)，以顯著縮小整個模塊的體積。整機內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 建模與仿真

CST工作室套裝是面向3D電磁、電路、溫度和結(jié)構(gòu)應(yīng)力設(shè)計工程師的一款全面、精確、集成度極高的專業(yè)仿真軟件包。包含多個工作室子軟件，集成在同一用戶界面內(nèi)，其中三維電磁場仿真軟件為用戶提供完整的系統(tǒng)級和部件級數(shù)值仿真優(yōu)化。軟件覆蓋整個電磁頻段，提供完備的時域和頻域全波電磁算法和高頻算法。根據(jù)本功放結(jié)構(gòu)，利用CST重點對功分/合成網(wǎng)絡(luò)中的波導(dǎo)魔T以及整個功放模塊進行建模仿真，并分析其相關(guān)特性。

2.1 波導(dǎo)魔T理論分析與仿真

波導(dǎo)魔T又稱為波導(dǎo)雙T，其在一個公共對稱面上接一個E-T接頭和H-T接頭[17]，是一個無耗4端口網(wǎng)絡(luò)，波導(dǎo)魔T結(jié)構(gòu)如圖3所示。通常在兩T形波導(dǎo)接頭處加楔體、膜片或椎體[18，19]，使其實現(xiàn)增加帶寬等效果。在工程應(yīng)用中，根據(jù)實際需要采用不同頻段的標準端口尺寸，由于其結(jié)構(gòu)本身具有對稱性[20]，故其對微波信號的處理具有如下特性：

各端口完全匹配；端口1、2相互隔離，端口3、4也相互隔離；由端口3輸入的射頻信號在端口1、2會輸出等幅反相的信號，端口4無輸出信號；由端口4輸入的射頻信號在端口1、2會輸出等幅同相的信號，端口3無輸出信號；若端口1、2同時加入信號， 則端口3輸出的信號等于兩輸入信號相量差的1/倍，端口4輸出的信號則等于兩輸入信號向量和的1/倍。其散射參量矩陣（S陣）可以表示為：

波導(dǎo)魔T的特性使得該結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于鑒頻器、平衡鑒相器、雙工器、功率分配器等微波器件中。

為了進一步研究所用方案的可行性，按照相關(guān)實例流程[21，22]，根據(jù)所需頻率范圍，采用標準BJ400矩形波導(dǎo)（5.69mm×2.845mm），利用CST對波導(dǎo)魔T結(jié)構(gòu)建立的模型如圖4所示。

將端口4作為隔離端，端口1作為輸入端，端口2、3作為輸出端，設(shè)定好端口激勵和求解頻率后，對該結(jié)構(gòu)進行仿真分析，求得S參數(shù)如圖5所示。

仿真結(jié)果顯示，在43.5 GHz～45.5 GHz范圍內(nèi)，輸入端口反射系數(shù)在-25 dB以下。S21與S31曲線幾乎重合，兩路功分不平衡度在0.1 dB內(nèi)?？梢姺峙浜蟮闹沸盘柧哂辛己玫囊恢滦浴Ｓ蓞?shù)S23可以看出，端口2、3之間的隔離度較高，在-26 dB以下。整個結(jié)構(gòu)插損在0.02 dB以內(nèi)，保證信號在該結(jié)構(gòu)中高效的傳輸。

2.2 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿真分析

根據(jù)本文對固態(tài)功放12 W內(nèi)部模塊的分析和描述，可以建立該模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的仿真模型。值得注意的是，所采用的波導(dǎo)尺寸為標準BJ400矩形波導(dǎo)，T形功分兩臂波導(dǎo)寬邊與BJ400波導(dǎo)寬邊尺寸相等，窄邊是BJ400波導(dǎo)窄邊尺寸的一半。芯片與T形功分支節(jié)相連部分通過波導(dǎo)-微帶過渡的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。所建立的模型如圖6所示。

該結(jié)構(gòu)具有高度對稱性，在對各高頻信號分量進行放大的過程中，能夠很好地保證各信號分量的幅度和相位的一致性，可使信號有效傳輸。利用HFSS軟件對該結(jié)構(gòu)進行仿真分析，對關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化之后，得到的S參數(shù)如圖7所示。

仿真結(jié)果顯示，在43.5 GHz～45.5 GHz頻段內(nèi)，Q波段固態(tài)功率放大器12 W模塊結(jié)構(gòu)兩端口傳輸損耗小于0.5 dB，端口反射均大于23 dB，在如此高的頻率下達到這種效果十分不易，表明該結(jié)構(gòu)具有良好的端口阻抗匹配[23]。

2.3 模塊整機設(shè)計

考慮到實際需要，將Q波段固態(tài)功率放大器12 W模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及芯片正常工作所需供電電源PCB置于同一個金屬腔體內(nèi)，便于裝配。模塊工作時，整個外金屬腔體固定于金屬面基座上，通過金屬熱傳導(dǎo)方式有效散熱。為了減小整個模塊的縱向尺寸，模塊的波導(dǎo)輸入輸出口均置于模塊上側(cè)，這也是將波導(dǎo)魔T的端口4作為隔離端的原因。整個結(jié)構(gòu)波導(dǎo)輸入輸出口預(yù)留了一定的位置，以連接標準BJ400波導(dǎo)法蘭盤。整個模塊體積僅為96 mm×45 mm×21 mm，完全實現(xiàn)了模塊小型化功率合成的應(yīng)用需求。設(shè)計的整機結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3 實物及測試

Q波段固態(tài)功率放大器12 W模塊實物如圖9所示，模塊表面及波導(dǎo)內(nèi)壁都作了鍍金處理，使得微波器件既有良好的表面導(dǎo)電性能，又有良好的抗氧化腐蝕性。模塊的一端設(shè)有一端口，用于連接外部電路實現(xiàn)對信號的控制、檢測、保護功能。

由于該器件以波導(dǎo)為輸入輸出口，故在測試中需要連接波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器，詳細測試框圖如圖10所示。

經(jīng)過測試，得到功放模塊在各頻點的功率，如圖11所示。

由仿真結(jié)果可看出，該固態(tài)功率放大器在43.5GHz～45.5 GHz頻段內(nèi)的實際功率均滿足12 W的功率要求。

4 結(jié) 語

采用以TGA4046為核心的單片微波集成電路研制了Q波段固態(tài)功率放大器12 W模塊。對其實現(xiàn)方案作了介紹，并對模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了建模與仿真分析。仿真結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)具有極低的傳輸損耗，功分/合成網(wǎng)絡(luò)間支路信號具有較高的一致性，驗證了該方案的可行性。對該模塊整機結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。對實物的測試結(jié)果表明，在43.5 GHz～45.5 GHz頻段內(nèi)，功放模塊達到最佳工作狀態(tài)，通帶內(nèi)功率平坦度為±0.25dBm，輸出功率接近12 W，隨著輸入頻率的增加，輸出功率下降趨勢明顯。該模塊還具有體積小、易加工等特點，有利于工程化應(yīng)用?？梢钥紤]利用該模塊作為組件研制更大功率的固態(tài)功放，比如通過徑向波導(dǎo)功率合成技術(shù)利用該模塊作為信號放大單元，合成該頻段百瓦量級的固態(tài)功放，對更大功率固態(tài)功放的研究具有重要的參考價值。

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