S波段小型管殼封裝高增益高可靠功率放大器的設(shè)計(jì)

周 全

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊050051)

S波段小型管殼封裝高增益高可靠功率放大器的設(shè)計(jì)

周 全

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊050051)

基于功率放大器模塊化、小型化的發(fā)展需求，設(shè)計(jì)了一種S波段小型管殼封裝、高增益、高可靠線性功率放大器，采用微波薄膜混合集成電路工藝，雙電源供電，將三級(jí)放大電路一體化集成到全密封金屬管殼，闡述了功率放大器的高增益、高可靠、小體積設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明放大器功率增益29 dB，1 dB輸出功率大于34 dBm，功率附加效率大于38%，70℃殼溫功率管芯結(jié)溫101℃，外形尺寸13 mm×21 mm×5.5 mm。技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，可靠性滿足Ⅰ級(jí)降額設(shè)計(jì)。

混合集成電路；功率放大器；S波段；金屬管殼封裝

0 引 言

現(xiàn)代通信、雷達(dá)、遙控遙測(cè)等諸多微波電子設(shè)備向小型化、輕量化發(fā)展，迫切需要各種小體積、高可靠、安裝使用方便的管殼類功率放大器。GaAs微波功率晶體管由于自身具有優(yōu)越的功率、增益、效率特性且制造工藝成熟、穩(wěn)定,目前仍成為該類工程配套的關(guān)鍵器件[1-2]。以Eudyna公司為代表的國(guó)外廠家采用金屬管殼封裝的內(nèi)匹配功率放大器，由于采用單級(jí)放大，功率增益偏低，使用時(shí)需要額外增加前級(jí)及驅(qū)動(dòng)級(jí)以提升整個(gè)放大鏈路的增益。

本文設(shè)計(jì)的S波段高增益線性功率放大器，將三級(jí)放大電路一體化集成于表面貼裝金屬管殼，簡(jiǎn)化了整機(jī)使用，大大縮小了體積，功率管芯達(dá)到Ⅰ級(jí)降額的熱設(shè)計(jì)提高了整機(jī)長(zhǎng)期工作的可靠性[3]，同時(shí)在此設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上完成了產(chǎn)品不同頻段的系列化。

1 電路設(shè)計(jì)

電路采用A類三級(jí)放大，見(jiàn)圖1[4]。通過(guò)在輸入端加入一定量的純阻Π型衰減網(wǎng)絡(luò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整衰減值,既保證整個(gè)放大鏈路增益的調(diào)整,又可使輸入端口駐波比得到很好的改善，還能保證輸入端口駐波比在小信號(hào)、大信號(hào)及高低溫狀態(tài)下的變化相對(duì)穩(wěn)定。前2級(jí)可通過(guò)管芯的S參數(shù)利用仿真軟件進(jìn)行小信號(hào)共軛匹配，第1級(jí)采用GaAs MMIC放大器提供約30 mW功率，第2級(jí)采用GaAs PHEMT管芯提供約500 mW激勵(lì)[5]。

圖1 放大器電路原理框圖

末級(jí)功率管芯的輸入端由于工作在大信號(hào)狀態(tài)，其輸入輸出阻抗較低且隨頻率和輸入功率的變化而出現(xiàn)較大的阻抗變化，同時(shí)S21也會(huì)隨輸入信號(hào)的增加而變小。為此，通過(guò)合理設(shè)計(jì)輸入匹配電路提高增益，合理設(shè)計(jì)輸出匹配提高末級(jí)管芯的輸出功率及線性度，滿足最大輸出功率時(shí)的最佳外部負(fù)載阻抗[6]。末級(jí)管芯采用GaAs PHEMT功率管芯，其等效輸入阻抗是電阻和電容的串聯(lián)阻抗(見(jiàn)圖2)：

ZS=Rin+1/(jωCin)

(1)

輸入匹配電路可采用T形低通網(wǎng)絡(luò)達(dá)到降低輸入阻抗和提升增益的目的。

圖2 末級(jí)管芯輸入匹配

輸出匹配電路應(yīng)具備損耗低、諧波抑制度高、輸出功率大、改善輸出駐波及非線性等功能。由于功率放大器的基波輸出功率高，相應(yīng)的諧波分量也較大，特別是二次和三次諧波的影響不可忽略，輸出駐波較大會(huì)惡化帶內(nèi)增益起伏，產(chǎn)生寄生信號(hào)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生自激振蕩和燒毀功率管芯[7]。末級(jí)功率管芯采用一階Γ型切比雪夫低通變阻濾波器的方法將管芯的輸出端口阻抗進(jìn)行匹配，結(jié)合仿真軟件計(jì)算出輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)元件初值，在此基礎(chǔ)上需要不斷地試驗(yàn)、調(diào)試、改善版圖直至電路性能達(dá)到最佳值。末級(jí)匹配電路見(jiàn)圖3[8]。

圖3 帶直流偏置的末級(jí)管芯輸入輸出匹配

圖3中電感采用鍵合金絲引線實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，電感值為：

(2)

式中:L為金絲電感(nH)；l為金絲長(zhǎng)度(mm)；d為金絲直徑(mm)。

圖3中電阻為可調(diào)節(jié)阻值的薄膜電阻；電容(除C3、C4外)均采用Q值高、溫度系數(shù)小(約±50 ppm/℃)的金屬介質(zhì)半導(dǎo)體(MIS)電容。MIS電容為高介電常數(shù)電容(見(jiàn)圖4)，其容值為：

(3)

式中：ε0為真空介質(zhì)常數(shù)(0.088 5 pF/cm)；εr為相對(duì)介電常數(shù),εr=40；L為金屬電極的長(zhǎng)度，單位cm；W為金屬電極的寬度，單位cm；T為介質(zhì)厚度，單位cm。

圖4 平板電容示意圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足產(chǎn)品管芯結(jié)溫達(dá)到Ⅰ級(jí)降額(Tj≤100 ℃)，示蹤氣體氦(He)細(xì)檢漏的漏率(≤2×10-2Pa·cm3/s)要求，兼顧與氧化鋁(Al2O3)陶瓷電路基板的熱應(yīng)力匹配(熱膨脹系數(shù)6.7×10-6/℃)，放大器管殼底座采用鎢銅材料(W85Cu15熱導(dǎo)率170 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)7×10-6/℃)，產(chǎn)品各功能管腳采用玻璃絕緣子，墻體采用可伐材料(4J29)，蓋板采用可伐材料(4J42)，采用平行封焊。使用軟件對(duì)內(nèi)腔體尺寸進(jìn)行仿真，使得腔體的諧振點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離工作頻率。管殼外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。利用進(jìn)口設(shè)備采用AuSn(80%Au20%Sn)焊料將基片、管芯在N2保護(hù)下一次性燒結(jié)完成,整個(gè)燒結(jié)過(guò)程時(shí)間短，焊料燒結(jié)均勻，可通過(guò)測(cè)量功率管芯結(jié)溫的辦法充分驗(yàn)證管殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效果。

圖5 放大器管殼外形圖

產(chǎn)品空間十分有限，內(nèi)腔體積 (11.0 mm×9.2 mm×3.0 mm)，盡量簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，根據(jù)增益及電路特點(diǎn)采用三級(jí)放大，為避免管芯間相互影響、微帶線間的耦合，版圖設(shè)計(jì)顯得尤為重要，電路的直流偏置和微波部分均應(yīng)預(yù)留一定的可調(diào)節(jié)手段。產(chǎn)品間的幅相一致性也是設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的，充分考慮裝架、鍵合工藝帶來(lái)的人為誤差，通過(guò)在管殼底座上制作了2條燒結(jié)管芯的凸臺(tái)，規(guī)范了元器件的燒結(jié)、裝配鍵合位置，最大限度地控制版圖設(shè)計(jì)與實(shí)際操作帶來(lái)的偏差。管芯的排列、管芯間的距離、鍵合線的直徑及電流容量都經(jīng)過(guò)了合理的計(jì)算與設(shè)計(jì)[4-8]。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)放大器的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了全面測(cè)試。圖6為放大器小信號(hào)(Pin=-15 dBm)狀態(tài)下增益與頻率的關(guān)系圖，圖7為放大器輸入駐波比與頻率的關(guān)系圖，圖8為放大器輸出駐波比與頻率的關(guān)系圖，圖9為放大器輸出功率與頻率的關(guān)系圖，圖10為放大器功率增益與輸入功率的關(guān)系圖(放大器輸出接30 dB衰減器)，圖11為放大器傳輸相位與輸入功率的關(guān)系圖(放大器輸入-15 dBm的傳輸相位與輸出30 dBm的相位)，圖12為三階交調(diào)圖(雙音間隔±0.5 MHz，每音輸出30 dBm，放大器輸出接30 dB衰減器)，圖13為利用顯微紅外熱成像儀測(cè)量末級(jí)功率管芯的工作結(jié)溫圖。

圖6 放大器小信號(hào)增益

圖7 放大器輸入駐波比

圖8 放大器輸出駐波比

圖9 放大器輸出功率

圖10 放大器功率增益與輸入功率

圖11 放大器傳輸相位與輸入功率

圖12 放大器三階交調(diào)

圖13 管芯結(jié)溫圖

Tc=+70 ℃，末級(jí)功率管芯結(jié)溫為101 ℃，管芯直流功耗5 W(10 V×0.5 A)，算得末級(jí)管芯熱阻為：

(4)

式中:TC為管殼溫度；TJ為工作結(jié)溫；PD為管芯耗散功率。

4 結(jié)束語(yǔ)

成功設(shè)計(jì)了一種小型化、高增益、高可靠性、高效的線性功率放大器。所有的匹配電路、電阻、電容、電感通過(guò)混合集成電路工藝一體化集成到全密封金屬管殼內(nèi)，解決了小體積管殼與放大器的高增益、大功率的矛盾以及由于體積所限造成元器件密度過(guò)高而引起的散熱問(wèn)題，解決了功率器件高溫電老煉(TA=+85 ℃，1 000 h)性能退化問(wèn)題。后續(xù)將在此基礎(chǔ)上對(duì)更高功率輸出做進(jìn)一步研究。

[1] 胡明春，周志鵬，高鐵.雷達(dá)微波新技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2013.

[2] 程文芳，盛柏楨.微波半導(dǎo)體功率器件及其應(yīng)用[J]. 電子與封裝，2003,3(1)：30-31.

[3] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).元器件降額準(zhǔn)則.GJB/Z 35-1993[S],1993.

[4] HICKMAN I.實(shí)用射頻技術(shù)手冊(cè)[M].4版.張弘，華偉，陳倩等譯.北京：人民郵電出版社,2009.

[5] 王子宇.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2003.

[6] 高葆新，胡南山，洪興楠，李浩模，過(guò)常寧.微波集成電路[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1995.

[7] GREBENNIKOV A.射頻與微波功率放大器設(shè)計(jì)[M].張玉興，趙宏飛譯.北京：電子工業(yè)出版社,2007.

[8] LICARI J J，ENLOW L R.混合微電路技術(shù)手冊(cè)[M].朱瑞廉譯 北京：電子工業(yè)出版社，2004.

DesignofS-bandMiniaturePackagePowerAmplifierwithHighGainandHighReliability

ZHOU Quan

(The 13th Research Institute,CETC,Shijiazhuang 050051,China)

Based on the development requirements of modularization and miniaturization of power amplifier,this paper designs an S-band miniature package linearity power amplifier with high gain and reliability,uses microwave thin film hybrid integrated circuit process and dual power supply,integrates three-stage amplification circuits into a fully sealed metal package,expatiates the design of high gain,high reliability and small size for power amplifier.Test results show that the amplifier power gain is 29 dB,the output power is more than 34 dBm at 1 dB power compression point,the power additional efficiency is more than 38%,the power tube core junction temperature reaches 101℃ at the 70℃ shell temperature,the size is 13 mm×21 mm×5.5 mm.The technical specifications meet design requirements，the reliability meets the requirement of levelⅠredundancy design.

hybrid integrated circuit；power amplifier；S-band；metal tube package

TN722.75

B

CN32-1413(2017)05-0093-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.021

2017-07-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：61604137