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硕士论文 毫米波高功率放大器设计 abs t r a c t 玩山 e m ill i n 岭 沈 卜 w avesy s 妞 in， 此 1 1 n 垃 囚 ouip u t pow erofn 五 l l i m e 沈 卜 w ave si gn吐 叨 优 c e isa bott 】 印沈 k 门 as w a tt s o u tp u t pow erofn 五 l l in 岭 t o r- w a v e ( 2 8 g e 匕 一 3 0 g h z )h i gh pow er吻p l 近erh asbeo 1 5 1 q u l a t e d and desi gdedinth isthesi s ， b 韶edontbe anal ysisofth e d e v e 1 0 p m ent of domes t i c助do v e r 吕 e a s田 n p i 访c a t i o ntechoo le gy. t 七 ere s e a r c hof 而5 the s l sb as so扣 。 ere公 沈 e n ce v alu eof the 血si gn inth e 加加 化 . dor n e s 6 cn 五 l l i me 比r- waveb i g hp ow e ra m p l i 五 er 几e e 田 p b a s i s of血s di s s er ta t i o n isth 。 胡习 y s i s and d e s i 幼ofpow e r 山 v i d e r/i 为 m b in er. t b etr a n snu s s l o n ， 1 in em o d e 1 isu s e dinth ean a l y sis of the pow 件 d i v i d e 创 七 o m b in e r. 肠a d itionalwil l j l l son s 妞 刀 c to refor mandth infi l mtechoi c sh ave仪 黔1 即p l l e d廿 叮 o u gh com p ar ed ， 0 们 。 e kj n d s ofcol l lj d on p 0 w e r d iv i d e r 澎 面m b in ers. t b e 日 五 c i e n cyof85%h as b 哭 n rea c h edinfou 卜 w ays pow ercomb inerb a “ 沮onth e ana l y s isofth e a d ssof l w are then u a 劝 s lri卜 w ave gui d etr a d s iti on h as b e e n邝 se ar c b ed in 面5山 e si s . t 五 ep m be 5 加c tu r e bas bee n a p p l i edioth e 而cids trip . w ave gui detr a n si ti ons ， andinsert fo ssisa bout 0 . l d band v s wri s le s s th an l 2 5 d ur 勿9 山 e ove r al l fr equ enc y b and 口 c o n s i d e r in gth e anal y s i s resuito f d l 月 沁 r e n t k li l d s o f bon dwire 川 。 c o n n ect i o n s ， th e dou ble w ire in c inne c t i o n s h a sb eenapp l i ed ina m p 1 i fi e rduetoth eh i ghl yo u 印 u t pow er t h e e l 汕in ationo f h e atp l ays ani m pon ant rol l o f th e h i ghpow er田 旧 p 肪erinth e con s i d e r a t io n ， in o r d e r仍 s o lv eth i ss tu b bom p r o b le m， some sc h e 幻 。 e so fthe r a d l at in gm o d e l are inves ti g a l e d ， re se ar c h e dandu hi m a te lyp r e sen囚. ina d d i ti on， the in s l a l l r d e n t ofchipin e ach s i a g e ofth e c ir c u i t i s i ll u s tr a t eds i m p 1 y. k e y w o r d s : 而ll i mete r w a v e ， h i g h power a m p l i fi e r ， p o w erdi v i d e r l c o m b l n e r ， 而ero s trip 一 w a v e gui 山tran s i ti o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名:年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:年月日 硕士论文 毫米波高功率放大册设计 绪论 . 1 概述 毫米波频段是目前军事电子技术发展的主要频段， 广泛应用于导弹精确制导、 雷 达、 保密通信、电子对抗和测试技术等方面。 毫米波系统比微波系统体积小、 重量轻， 波束窄、 带宽大、 抗干扰能力强; 比红外或激光传感器气象适应性好， 可穿透雨、 雾、 战场浓烟、 尘埃进行探测， 所以它是继激光、 红外之后电磁频谱利用中的又一枝新秀。 对雷达与通信系统而言， 系统功率的提高就意味着具有更大的作用半径、 更强的抗干 扰能力、 更好的通信质量等优点 11 。 真空管和固态器件都可用来放大毫米波信号， 像速调管和行波管那样的真空管专 门用于高功率场合，但由于它们工作电压高，体积、重量大，性能不稳定，寿命短， 使其在使用上受到限制。毫米波固态功率源具有体积小、重量轻、电源电压低、寿命 长等优势，使其在雷达、通信和电子对抗系统中得到广泛应用。 作为固态放大器， 主要有两类: 两端器件和三端器件。 两端器件的工作机理各不 相同: 参量放大( 变容二极管) ， 隧道效应( 隧道二极管) ， 转移电 子( 耿氏二极管) ， 雪崩 度越时间( 】 m r 红 t二极管) 等。参量放大器是窄带( l0 % ) 器件。隧道二极管放大器具 有高增益、低噪声和低功率。耿氏二极管放大器非常类似于隧道二极管放大器。 】 mr 以 t二极管放大器有高功率和高增益，具有中等噪声系数，但稳定性差，电路复 杂。 近几十年来， 半导体工艺水平的发展， 使g a a s me s f e t放大器件性能不断提高， 功率放大器已成功运用于毫米波波段。 这些放大器具有增益高、 频带宽、 动态范围大 和高功率的工作能力. 在某些领域， 它们不仅正在替代真空管而且还正在替代晶体管、 耿氏管和imp a n) 二极管等其他放大器件，而且正在向集成化方向发展。 目 前，毫米波技术的趋势是向 小型化和集成化发展，在卫星通讯、相控阵雷达、 电子战和其它机载应用中， 元件的尺寸和重量已成为电子系统设计的主要因素。 毫米 波集成电路可以满足上述要求。 毫米波集成电路可分为两大类， 混合毫米波集成电路 田m 】 c ) 和单片毫米波集成电 路( 、 。 “ ic) 。 混合技术是把固态器件和无源电路元件外接 在一块介质衬底上。 无源电路即可用分布元件也可用集总元件， 或者两者都用。 mmic 是将所有的有源和无源电路元件利用淀积工艺将它们制作在一块半绝缘材料( g aas) 衬底的表面。 由于单个固态功率器件的输出能力不高， 不论雷达、 电子干扰系统还是通信发射 机， 都经常通过合成技术将多个功率源合成来获得较高的所希望的高功率电平。 尤其 是在毫米波频段， 从单个功率源得到的功率有限昧 出于经济、 可靠性等方面的考虑， 有时宁愿用几个较小的功率源进行合成而不用一个大的功率源。 同时， 功率合成搜术 l 硕士论文 毫米波高功率放大器设计 还能在一个或几个源失效的情况下保证系统继续工作而不至于完全失效， 只是性能要 下降一些，即所谓的故障弱化现象。ka 频段高功率放大器很难从国外买到，最可行 的方法只能是通过对m mi c功率芯片进行功率合成来达到最终需要的功率输出电平。 高功率放大器的输出功率大， 而增益一般却不高， 因此对输入功率就有了较高的要求。 为了达到末级高功率放大器所需要的驱动功率， 射频信号一般情况下需要进行驱动放 大。 驱动放大主要是给末级功率放大器提供足够的驱动功率， 如果驱动放大器的输出 功率过高， 则还需要加衰减器来对末级的高功率放大器提供必要的保护。 总之， 输出 级功率合成放大器的设计是关键， 功率合成网络的设计效果决定着整个系统最终的合 成性能， 同时， 前级功率放大器的选用和设计也需要根据输出级的驱动要求来综合考 虑。 选择合成单元时，首先考虑放大单元的功率、耐压和使用频率， 选用优质的、 性 价比高的m mi c放大芯片作为放大单元，对功率合成放大器的实现而言也是非常重 要的一步。 管子的最大额定输出功率应大于要求的输出功率， 考虑到管子的容差和长 期工作的可靠性， 应留有足够的余地， 一般情况下后者为前者的7 0 %左右。 放大器的 工作频率应在管子建议的工作频段以内， 同时还应考虑管子的可靠性和参数的一致性 等特性。 在要求的输出功率比较高时， 选择功率放大单元应尽可能选择输出功率能力 大一些的器件。 1 . 2 国内外相关研究发展动态 基于g aas 和玩 p 的h e mt器件的发展， 近些年来， 有大量的文章对毫米波放大 器及放大模块进行了报道，主要侧重于器件发展和 mmlc 技术方案。其中一个研究 方向就是高性能、 小尺寸、 低成本的毫米波接受前端和收发组件， 在小尺寸的封装内 安装数个 mm】 c 以实现较大功率的输出。1 9 98 年，v波段的 mm】 c放大器能在 5 1 5 g h z 做到增益为20.叼b ， 噪声系数3 d b ; w 频段n 伍 心 c放大器能做到在9 0 g h z 获得增益s db; 6 级m m l c 放大 模块在glg h z 增益为28. ld b 10). 国 外最早是在1 971 年开始进行功率合成系统的研究的。从所能查阅到的文献中可以看出，国外在ka 频 段的低端26.s g h z 一 35g h z 开发了种类相当丰富的功率放大产品。 从实现方法上来看， 多为用m m i c芯片进行功率合成，或者直接在m m 】 c芯片内部使用功率合成技术获 取较高功率输出，再配合其他mmic驱动芯片提供适当的驱动，构成级联放大器。 在ka 波段，国外的研究相对比较成熟， 具有制作高性能的mmi c的能力， 并使 用高 性能的m m ic功率合成实现大功率输出。 如5 . 1 知 l akall 】 等人利用h b t制成的 k a 频段mmi c功率放大器内部采用了完全匹配， 在ka 频段有i w 以上的连续波功率 输出。在 3 o g h z ，功放的最大输出功率为 1 . 5 9 w，功率附加效率的峰值 35%，线性 增益6. s d b 。该芯片的性能表明h b t也很适合ka 频段无线应用的价廉m mlc。 硕士论文 毫米波高功率放大器设计 s t a u bre尹21 设 计了 用 于u m d s 基 站的ka频段功率 放大 器， 由3 级 组成。 前置 级用了a l h 1 4 0 c t r wm mi c ，它采用了2 级平衡设计，无条件稳定，驻波比很好、 增益高， 能提供足够的输出驱动电平， 另外噪声性能也不错， 动态范围大， 允许的输 入功率最大为 1 4db m。中间级用的d msl60. 2是一个驱动功率放大器，它也由2级 构成， 能提供25d b m的输出饱和功率， 增益7 2db ， 输入了 输出回波损耗分别约为一 1 0db 和 一 1 2 d b ， 虽然匹 配不大好， 但是设计的 重点是 得到 最好的 输出 功率。 输出 级是肠q u in t 公司的t g a n4 功率放大mmic， 它的输出饱和功率3 2 d b m， 在犯g h z 增益为 1 7db， 输 户 j 输出 回 波 损 耗 分 别 是 一 s db和 一 1 侃 b 。 daisyl.in 幽11 31 等 人 研 制的ka频 段6w 功率放大器，它的末级由两片n 压 公 c功率放大芯片功率合成实现，功率分配/ 合成网 络采用的是 wi l k 由 son功分器，合成效率约为 85%。 3 4. s g h z 时， 可得到最大输出功率6 w， 相应的增益为21 该放大器在输入信号频率为 .5 d b ， 功率附加效率为 24%。 a g i 】 e n t 公司研制的ka 频段i w功率放大器， 它由四级单片放大电路组成， ，工作频率为 37g h z 43 g h z ，在输入信号频率为 旧h z时， 号增益高达 4 5 d b ， 压缩点输出功率为 小信 l d b 28d b in.单频输出功率2 2db m处的三阶交调系数为一 2 4 d bc， 末级功 放由四片mm05034 单片功率放大器通过多芯片功率合成实现，功率分配/ 合成网络 采用的是改进的wi 止 j l son 功分器，合成效率为79%。 i t s 公司推出了系列毫米波功率放大模块，其中有工作频率为2 9. s g h z 一 3 0 g h z ， 输出功率为2 0 w，增益为18db ;还有工作频率为30g h z ，输出功率为5 0 w， 增益为 5 0d b。 目 前， 国内一些从事微波电路与系统的高校与研究所都在致力于利用功率合成来 提高固 态功率放大器的输出功率， 如: 南京电子器件研究所研制的c波段19瓦mm ic 多芯片合成功率放大器，西安空间无线电技术研究所研制的k u波段 10瓦矩形谐振 腔四路功率合成固态放大器。 固态功率放大器的功率输出能力取决于所用功率器件( 以前主要是晶体管等) 的 特性及功率合成的效率。 近年来， 微波单片集成电路取得了巨大的进展， 尤其是功率 器件方面， 研制出了多种微波、 毫米波单片功率集成电路。 mmic将有源器件与无源 器件集成在同一芯片上， 具有尺寸小、重量轻、性能好、 可靠性高等一系列优点，很 多mmi c功放芯片的内部都采用了功率合成技术，因此，mmic 功率放大芯片在功 率输出能力上比单个晶体管强得多。在ka 频段3 0 g h z ，国外主要的微波、毫米波元 器件生产商都有相应的mmi c功放芯片产品，如下表 1 . 1 所示。 硕士论文毫米波高功率放大器设计 表 l l国外毫米波段3 0 g h z 主要的大功率mmi c 型号厂家工作频率 ( chz ) 输出功率 ( d b m) 鲜 ( d b) 3 0s p a0 5 3 6mi m议27一 3 3 3 5 少s a t ) 2l 3 0 s p a 0 5 3 3mi m认27 一 3 2 3 3 伊s a t ) 22 ammc份 6 4 3 0 a g i l ent 2 5 一 3 3 2 9 平 1 ) 1 7 ap h4 6 0、 乞 1 0 c i u m27 一 3 15 2 8 ( p-l ) l 2 tgal l 7 2 一 s c c肠i qu in t 2 7 一 3 22 9 ( p 一 1 )l 6 t ga4 5 os 肠i qu int 2 4 3 1 3 5 5 ( p 一 1 ) 2 3 t ga4 5 0 9 . e p u 竹i q u in t 2 7 一 3 1 3 0 ( p-l ) 22 t ga4 5 1 3 .1 士 i qu int 2 7 一 3 1 3 2 ( p 一 1 ) 2 2 .t ga4 9 o s 一 cp 肠i qu in t 2 5 一 3 1 3 6 ( p sat) 2 2 t ; a4 9 1 5 一 ep u一 cp 肠i qu int 2 吞3 1 3 8 ( p s at) 2 2 1 . 3 本论文研究内容 毫米波功率放大器是毫米波通信系统中必不可少的关键部件， 一个性能良 好的功 率放大器是形成高性能毫米波系统的保证。 而国内在毫米波大功率放大器芯片的设计 及加工技术方面远远落后于国外发达国家， 现在国内的毫米波芯片设计还处于起步阶 段， 没有自 身设计大功率芯片的能力。 而且国外的一些毫米波大功率模块对我国禁运， 因此毫米波大功率模块己 经成为了毫米波系统设计的瓶颈。 本论文对当前毫米波功率放大器比 较常用的几种设计方法进行了调研， 根据系统 对毫米波功率放大器提出的技术指标， 并结合国内加工工艺水平确定了整个毫米波功 率放大器的设计方案:采用功率合成技术的固态功率放大器(s s pa) 的方案，达到了 s w的输出功率，能够使毫米波通信系统的作用距离更远。 硕士论文 毫米波高功率放大器设计 2 总体方案设计 2 . 1 主要技术指标及其定义 2 . 1 . 1 主要技术指标 工作频率:28g h z 一 3 0 g i 比 饱和输出功率:s w ( 37dbm) 增益:1 8 db 增益平坦度:士l d b 巧 0 0 m h z 输入驻波比:2:1 输出 驻波比 : 2: 1. 杂散:一 6 0db c 谐波:“ 比 目 e 七 三阶交调:一 25d b c 功率附加效率:) 20% 2 . 1 . 2指标定义 1 . 输出功率 1 ) 饱和输出功率 当功率放大器的输入功率加大到某一值后， 在加大输入功率并不会改变输出功率 的大小，该输出功率称为功率放大器的饱和输出功率。 2 )l d b压缩点输出功率pldb 功率放大器增益压缩 l db 所对应的输出功率称为 ldb压缩点输出功率，记作 pi 。，用来衡量放大器的功率容量。 pi。与三阶交调的关系如图2. 1 所示。 硕士论文 毫米波高功率放大器设计 三阶交截点 .-ry.-.-.-.-:衍 l d b压编点 纂 波 与哥俘习潺 三阶交调 输入功率 ( 阳 ) 图2. ip l db与三阶交调的关系 2 . 资用功率增益 资用功率增益 ga 定义为负载吸收的资用功率 pl d与信号源输出的资用功率 pa 之比。 它是在放大器的输入端和输出端分别实现共扼匹配的特殊情况下， 放大器产生 的功率增益，也是在输出端共扼匹配情况下的转换功率增益。 ( 2 . 1 . 2 . 1 ) 3 . 增益平坦度 增益平坦度是一项普通技术指标， 它说明功率放大器增益在一定功率范围内变化 大小。如果能控制增益随频率的变化量，就可以使增益平坦度较好。不同系统对它的 要求不一样， 对于宽带系统，由于实现的难度较大， 在设计时必须要求合理。 增益平 坦度应该是在 50q 负载情况下定义，而组成实际系统的部件存在不同 程度的反射。 因此，实际系统并不是理想 50。 系统，故实际系统的增益平坦度比各部件测出的增 益平坦度要大。 4. 功率效率和功率附加效率 功率放大器的功率效率q p是功率放大器的射频输出 功 率与供给晶 体管的直流 功率之比。表示了功率放大器把直流功率转换成射频功率的能力，定义为 补 =射频输出功率 直流输入功率 (2. 1 . 2. 2) 通常， 在设计功率放大器时，希望用功率增益高的功率品体管。为此， 又给出另 6 硕士论文 毫米波高功率放大器设计 一种定义: (2. 1 . 2. 3) 冲 州 射频输出功率一射频输入功率 直流输入功率 几 add称为功率放大器的功率附加效率，它既反映了直流功率转换成射频功率的能力， 又反映了 放大射频功率的能力。很明显，用功率附加效率几 衡量功率放大器的功 率效率是比较合理的。 5 .三阶交调 等幅信号输入功率放大器时， 输出信号中 存在各种阶次的交调分量， 其中三阶交 调分量(2。 厂 。 + ， 和 2 。 ，+1 一 。 1) 与基波信号角频率( 。 ， 和。 +1 ) 非常接近， 不可能把它 从信道中滤除掉，因此，三阶交调分量就成为干扰信号。同理，五阶交调分量 (3。 厂 2 o 1+ 1 和3 。 +j 一 2 。 )也是干扰信号， 但它比 三阶交调分量要小的多，在系 统要求不严时可以不考虑。 三阶交调系数: 只 肚3 =i u l g 一 泛 ， = 式 1 。 ，9 李(韶 c ) 巧+ 1 (2. 1 . 2.4) 式中， p i 和pi + 1 时分别对应于频率。 ， 和。 十 : 的基波输出功率:p 3 是三阶交调频 率(2。 厂 。 ，+1和2 。 什 1 一 。 ) 处的三阶交调功率; 三阶交调系数是度量微波功率放大 器非线性的一项主要的指标，不同的系统对它的要求是不一样大的。 6 .端口 驻波比和回波损耗 由 于用微波仪器测量反射功率比较容易， 因此在微波波段通常用回波损耗来表示 端口的匹配情况.回波损耗的含义是反射功率与入射功率的比值 用 d b为单位) 。 回波损耗pa和驻波比p 的关系可以 用下式表示: 。 = ，0 ，9昌 ( 21 . 2 . 5 ) 又知反射系数的模值为: 目 一 典 p十1 (2. 1 . 2.6) 由 式 (2. 1 .2. 5 ) 、 ( 2. 1 .2.6) 可得出 驻波比、回波损耗、反射系数之间的换算值， 如表2 . 1 所列。 一 硕士论文 庵米波高功率放大器设计 表 2 . 1 驻波比 回波损耗 反射系数 寄生输出 1 . 05 驻波比、回波损耗、反射系数换算表 1， _211 _31 .5 2 .。5 一 0 一 3 2.26 0 . 0 2 4 一 2 6.4 4 0. 阵8 一 20 名3 0.09 1 一 1 7.69 0 一 1 3 0 一 1 3 . 9 8 02 0 0 一 9 . 5 4 0 一 3 3 3 3 一 0 一 6.02 0-5 (x) 一 3 . 5 2 06 6 7 寄生输出是系统中不需要的那些信号， 是功率放大器放大过程中引起的一种信号 失 真， 它 与 输 入 信 号 不 是 谐 波关 系 。 这 些寄 生 输出 绝 大部 分 是 在高电 平 和 输出 严重 适 配时出现的。 无寄生杂波动态范围是允许信号的输入功率范围， 在这个输入功率范围内系统中 将不存在寄生杂波。 无寄生杂波动态范围的最大功率主要取决于系统的增益、 三阶交 截点和噪声电平; 而最小功率主要取决于噪声系数和噪声带宽。 这个范围可以确保从 放大器输出的信号不会有任何的失真。 为了实现一个较好的无寄生杂波动态范围， 要 求功率放大器噪声尽可能小， 三阶交截点尽可能高。 然而低噪声器件的输出功率较低， 而高功率器件噪声系数较大，需要折中考虑。寄生输出是以载波为参考电平，以dbc 为单位，一般要求在一 50dbc 以下。 2 . 2 功率放大器方案的选择 目前，高功率放大器的实现方案通常采用行波管或是采用固态功率放大器 ( s s p a) 。 行波管在雷达、通信等整机设备中是应用广泛的一种微波管，具有输出功率大、 增益高的特点。但是，输出功率与带宽是相互制约的，大功率的t w ， f 要采用祸合腔 等一类慢波结构， 但腔体的使用， 将限制其带宽性能。另外， t w t的效率也不很高， 这意味着要付出较大的直流功耗的代价。 如何进一步提高管子的效率、 稳定性等问题， 对行波管的应用具有较大影响。 固态功率放大器与行波管相比， 具有较多的优势， 在很多场合己经逐步替代了行 波管功率放大器。 1 . 易维护性 固态功放具有维护方便、安全、可靠性高、维修成本低、备件成本低等特点。 安全性 固态器件具有低压特性， 低的电 压给操作和维护带来安全。 相反， 真空管放大器 具有高压特性。 真空管放大器制造商必须设计严密的安全措施， 避免高压危险。 假如 操作人员疏忽安全注意事项，而意外地接触高压，结果将是致命的。 备件成本低 g 硕士论文 毫米波高功率放大器设计 当 t w t a发生严重故障时，通常必须更换管子，这就需要我们常备一个备件， 而这个备件的成本占整个放大器价格的很大比例。 对于s s p a ， 所需的备件仅为风机、 保险丝等，成本非常低. 高可靠性 采用s s pa，由 于输出是多 个管子并联， 所以 维修或更换一个管子发生的费用比 更换真空管低得多。 事实上，目 前用于s s pa 的微波功率砷化稼场效应管具有非常好 的m t b f 指标 ( 百万小时以上) ，所以往往先损坏的是其它通用电 子器件。 维护简单 s s pa 典型的保护性维护措施包括保持进风口 和出风口 清洁， 大约每五年更换一 次风机。 而对真空管放大器来说， 输出功率随着管子老化而不断下降， 需要重新调整， 最终更换管子，s s pa 就没有这种现象。 2. 互调性能 所有放大器都有一定的非线性， 然而， s s pa 比t w t a具有明显优越的线性特性。 当多个信号同时加到放大器输入端时， 放大器输出中除了原来的频率外还有放大器产 生的一些新信号， 其中最严重的是三阶互调产物， 在频率上很靠近被放大的信号，很 难被滤除。 为了使互调产物降至最低，放大器必须工作在低于额定功率的工作点。对于 t w t a ， 典型情形下， 输出功率每降低l db， 或低于额定功率的输出补偿每增加 l db， 三阶互调降低3 db。 例如， t w t a 必须具有7 db左右的输出补偿， 才能保证优于一 2 6dbc 的互调指标。然而5 5 队 具有特有的线性性能，要达到同样的 。 2 6db c) 互调指标， 只需要2. 2 d b的输出补偿。可见，s s pa 比r 胃 1 人具有4. s db ( 约3 倍)的优势。换 句话说，s s p a可以代替额定功率为3 倍的t wt 人 ，而没有任何性能上的降低。 3. 运行成本低 由于s s p a可以代替额定功率大得多的t wt a ， 潜在的耗电量的节省是十分明显 的。 并且， 通过采用“ 省电 ” 模式还能在备份系统中进一步降低耗电: 备份系统中的待 机s s p a处于静默状态，耗电很低;待机s s pa 可以在很短时间内恢复工作而不像真 空放大器那样需等待一个较长的预热时间，这种省电模式在t w t a备份系统中无法 使用。 通过各种性能比较， 在本设计中， 我们采用固态功率放大器技术来设计毫米波高 功率放大器。 硕士论文毫米波高功率放大器设计 2 . 2 . 1总体方案选择 在 28g i 侄 一 3 0 g h z波段，虽然有个别 n 压 心 c 的输出功率能够达到 s w ( 如: t g a 4 9 巧，频率范围2 6 g h z 一 3lg h z ，l db 压缩点输出功率 38dbm) ，但是这种产品 不但价格非常高，而且对中国也是禁运的。因此， 我们选用输出功率较小的mm ic， 采用功率合成技术来实现s w 的输出 功率。 ， 功率合成技术还可以 提供在合成系统中 一个或多个功率源发生故障情况下 “ 性能下降但可靠的工作” 。工作可靠但性能下降 指的是输出功率下降， 但不是完全丧失。 例如， 假如在平衡结构中一个放大器出现故 障，其输出功率降低到原来输出功率的1 14或者比原来输出功率低翻b 。 根据整体的指标选择合适的器件， 放大器的选择非常关键， 表1 . 1 中的入 且 以 i c频 率范围都能满足，若选用二级功率合成来设计，单个 m m】 c的输出功率理想情况下 必须达到3 4db m， 可以选择t g a 4 5 05、 t g a 4 9()5 一 c p 、 3 0spa0536来进行设计， 但它 们的价格也很高， 也很难购买。 本着设计成本低、 模块小型化的原则， 我们最终选用 四级功率合成技术，功率放大侧 压 心 c为t g a 4 5 13，设计框图如图2. 2 所示。 矩形 波导 微带 转换 功率 分配 网络 mmi c mmic 功率 合成 网络 功率 分配 网络 mmi c 功率 合成 网络 功率 合成 网络 微带 矩形 波导 转换 mmi c 图2. 2总体方案设计框图 图中的阴影部分是本课题设计的重点功率放大模块，功率放大模块的输入、 输出选用标准波导， 方便系统级的连接以 及测试。 功率放大模块中采用四路功率分配 / 合成网络， 功率放大mmic 为t g a 4 5 13。 t 0 a 4 5 13的输出功率大于32一 sdb m， 增益 为2 2 d b ， 理想状态下模块的输出功率为38d b m.增益为22d b ， 但这是不可能实现的。 图2. 3 ( a ) 、 ( b ) 分 别 是t g a 4 5 13在玲= 6v， 几= 84 0 用 污 的 偏 置 下 测 得的5 参 数 特 性 曲线和输出功率特性曲线。 硕士论文 毫米波高功率放大器设计 二 。: ， 、 ， 一尹洲目明甲、 一“户 峪阅侧 弓缤， 尸 - 一 一 一 爪 l_ 犷 - - - - - 一- - 一二弓 呀尸 - 一 ) 一 一一 一一一 j 睁. . 一 一一 一 一一 下 卜j - - - - - - 一 - - - - - - 一 - 一二 二 一不 ; - - - - 一 : 一和旧节 勺 州 _ _ _ _ _ _ _ 一 了 - 一一 - - - - - - - 一1 - - - - 一门 ”翻望哪翻a05翻哪” 官.一盆之一矛夸占 l1 产魂 1 一 ， 一 门 - - 一二二 ; 1 二 一二 1 二 二 二 互 一 二 二刃 二 二 二 - 一性 奋面1 二 一 刃 二 二 二 二 工 二 二 二 二 万 一 二 二 二 1 一- 一一 守一， 一1 一飞. ，_ _ _1 一 二 厂 二 二石孟汗石石不屯 t- - 一厂- 一 - - 一1 - - 一1 一叮 - 一飞 一1 一 竺卜丈 洲 竺全卜斌泛 s 亡的吧 尸、生 _ _ 1 ; - 一1 亩息.厄世.乌. 盆矛 翻 ( a ) 盆3a0 再叫阴. 勺日 日 帕 ( b) 图2. 3(a) 卜 t g a 4 5 13s 参数特性曲 线 ( b ) t g a 4 5 1 3 输出功率特性曲线 .对于总体方案设计框图中， 各部分指标分配如下: 微带矩形波导转换插入损 耗小于0. 2 d b ， 功率分配网络插入损耗小于0. 6 d b ， 功率合成网络插入损耗小于o. 6db ， 金丝焊接和其它损耗小于ldb 。 本课题的涉及的关键技术: a 、毫米波段的功率分配了 合成技术; b 、微带一一矩形波导转换技术; c 、功率放大器安装、散热技术。 l l 硕士论文 毫米波高功率放大器设计 3 功率分配、合成网络设计 3 . 1引言 功率分配器的设计中， 低的插损、 对称的功率分配是首要考虑因素。 只要能够达 到设计目 标， 结构越简单越好。 在毫米波频段，由于波段具有插损小、 信号不易泄漏 等优点， 功率分配与合成网络多采用波导结构， 但是， 采用波导结构与微带集成电 路 相比具有以 下缺点: 体积大， 集成度低， 不便于与固态器件相连接; 而且， 在毫米波 段， 工作波长短，电路加工精度相应要求更高，因此，波导结构中机械加工的难度和 成本是一个难以逾越的障碍。相反，微带结构具有微带线制作容易，成本低，而且平 面电路结构便于与其他电路连接等明显优势。 与波导结构相比， 微带结构的缺点是损 耗较大。同时， 微带电路属于分布参数电路， 不连续性的物理尺寸与工作波长相比拟 时，必须考虑其不连续性。因此，本课题中的功率分配网络和功率合成网络都采用 3 一db 电桥来完成。 由网络理论可知， 凡是满足互易原理的功率分配器都可以反过来作为多路合成器 使用。3 一d b电桥用于两路放大合成时的原理框图如下图3 . 1 所示。 图3. 1 3 一db 电桥用于两路放大合成时的原理框图 此类合成结构的优点主要在于:电路结构设计简单， 工作频带宽， 端口 之间的隔 离度较好( 一般大于2 0db ) 。 缺点主要在于: 与其它合成器相比体积较大， 路径损耗较 大等。 3 一 d b电桥常见的几种形式主要有:3 一 d b分支线祸合器、 两路wi】 k 流 son 电 桥、环行祸合器等。以3db分支线祸合器为例， 其工作原理及其简单示意图如下图 3.2 (a)所示: 当功率从端口1 输入时， 则平均分配到端口2 和端口3 ， 端口4 被隔离。 如果端口2和3 接匹配放大器，则信号在端口2和3被放大后输出:如果端口2 ， 3 与 外 接 放 大 器 不 完 全 匹 配时 ， 在端口2 ， 3 将 有 信 号 被 反 射回 来， 反 射 波 在 端甲4 上 被 隔 离电 阻 吸 收， 而 在端口1 上由 于 相位相反而被 抵消。 l 2 硕士论文 毫米波高功率放大器设计 粉 抽出 2 隔离 4瞥 (a)3 一db 分支线祸合器 臀 粉 瞥 ( b )两路电桥 粉 甲 ( c )环行祸合器 图3. 2 3 一db 电 桥常见的 三种形式 上图3 . 2( b) 所示传统wil k 泊 son 电桥实际上是1800电 桥。与上面的图示对照， 当信号由端口1 输入时， 功率从端口2 和端口3 输出， 两路输出可按照一定的比例分 配。 端口2 和端口3 之间可视为一内置端口，当 两输出 端口 ( 端口2 和端口3) 保持相 同的电 压时，隔离电阻r中没有电 流( 理想情况) ， 不吸收功率。 此处电阻的作用是给 出良好的输出端匹配和隔离，若端口2和端口3稍有失配，则将有功率被电阻r所 吸收， 从而保证两输出端有良好的隔离。由于没有接地要求，微带线制作容易，因此 以wilk in son 电桥为合成单元设计出的多级wil盆 i ll son 合俞 分配树，具有结构紧凑、 平衡性好、 损耗低、 工作频带宽、 集成度高的优良 性能， 广泛应用于功率合成电路中。 硕士论文 毫米波高功率放大器设计 3 . 2功率分配器、合成器设计 本课题采用的功率分配器为多级分支结构，单支的功率分配器采用二等分的 wi lk 沁 son 形式功分器，如图3. 2中 彻所示，该结构中各部分的传输阻抗要保证在2 、 3 端口输出同 相、等功率的信号，并保证功分器输出同相、 等功率的条件，以及低的 插入损耗，通常采用共面波导 ( c 甲 w)及祸合共面波导。但是，我们考虑这种结构 复杂、 对机械加工要求较高、 实现难度大， 同时对隔离电阻以及放大器的安装都带来 了难度。 根据上述分析决定采用微带线结构， 同时采用薄膜电阻作为隔离电阻， 这样 也便于放大器的安装。 3 . 2 . 1工艺和基片的选择 对于微波高频段微带电路， 基片介电常数的高低直接影响电路尺寸的大小。 因而 对于不同频率的电路需采用相应介电常数的基片， 对于毫米波， 为了避免电路尺寸过 小时的工艺加工及调试困 难， 多选用低介电常数基片 ( 石英、 聚四氟乙烯系列覆铜箔 印制板) 。但是，基片的介电常数必须随环境的温度和适度变化极小，在这方面，陶 瓷、 蓝宝石、 石英、 砷化稼、 铁氧体等基片性能较优，聚四氟乙烯次之，复合介质基 片较差。 其实， 微波混合集成电路 ( mi c )对基片的要求是多方面的，主要有:基片 材料损耗、 基片厚度、 基片的光洁度以 及介电常数、 基片平整度、 化学稳定性、 温度 潮湿循环冲击、导热性能等t31 。 mi c在工艺上，主要有厚膜、薄膜和片状组装技术。厚膜mi c工艺成本低，批 量生产效率高， 但导体损耗大，元件尺寸精度低， 所以主要用于z g h z 以下的m i c ; 在2 1 2 g h z 范围内主要应用薄膜扮 u c和片状元件mi c ; 在 1 2 g h z以上主要应用薄 膜加 u c ， 在2 0 g h z 以上有时也能应用微波印刷板制作毫米波电路。 综合考虑， 并且考虑要用到薄膜电阻， 本课题的功率分配器、 合成器选用薄膜工 艺，薄膜m ic 的基片除用于支撑和固定电子器件外，还有保护集成电路，增加机械 强度， 提高电 路散热能力等作用。 基片多数为氧化铝、氧化彼、石英、蓝宝石等。 本 课题的介质基片选用介电常数为9. 8的氧化铝陶瓷基片。 3.2 ， 2薄膜工艺 随着混合微电子工业的快速发展， 也引起了对薄膜的特殊要求。 薄膜在包括混合 电路的微电子工业中的广泛应用有很多原因， 最重要的原因也许是其体积小、 功耗低、 电流密度大的特点满足了多层混合电路的需求。 薄膜工艺也适用于由带有精密控制合 成物的高纯度材料组成的便利产品。 薄膜没有确切的定义， 但是一般认为薄膜的厚度 硕士论文毫米波高功率放大器设计 在2 0 伽( s xl o 一 、 1 1 ) 一 z p m ( s xl o -ha1 1 ) 之间。没有通用的薄膜1艺，就像没有通用 的单片电路一样。 为了充分满足薄膜混合工业的整体需要， 对工艺和材料的需求促使 多种沉积技术的发展，例如:真空蒸发、溅射、化学气相沉积 ( c h elnical vapor deposition， cvd) 电 镀和阳极氧化法都己 应用在批量制造中。 薄膜的主要问题是附着 力问题。 附着力依赖于基片的表面条件 即， 粗糙度、 清洁度及在膜早期生长阶段沉 积物吸收能量和/ 或更多数量的晶核中心的形成) 。 但是， 相对于厚膜工艺而言， 薄膜 工艺是相当昂贵的，且不适合大量生产。以下简要介绍相关的薄膜工艺。 ( 一)淀积工艺 在制造薄膜微电路时， 当基片材料选择好以后， 下一步便是在基片上淀积金属或 金属化合物。 这些金属材料最终将提供导体和电阻器图形和功能。 一般情况下， 在基 片上顺序淀积一层电阻材料， 一层阻挡金属材料和一层顶层导体材料。 这些层相当薄， 为2 0 0 200 0 0 埃， 可用真空蒸发、溅射淀积、 化学气象淀积和这些工艺的变种。 在淀积工艺当中， 薄膜溅射明 显地由于蒸发淀积，其优点主要如下: ( 1 ) 、 溅射膜比蒸发淀积膜对基片有更强的附着力。 这是由于溅射原子撞击基片 时有很高的动能。 ( 2 ) 、溅射膜更致密、更均匀。 ( 3)、 溅射工艺更为通用。 靶材除了纯金属以外， 可以是合金或复合材料。 例如 可以使镍铬靶的各种比例作为各种面电阻率的电阻膜。 与蒸发淀积不同， 溅射很少有 或不会有分馏发生。 (4) 、导体 ( 金属、合金)或非导体 ( 介质、绝缘体) 膜都可以淀积。 ( 5)、 此工艺也可以逆向模式使用， 用于清洁基片表面或蚀刻细线。 在这种情况 下，基片短期内被作为阴极。 ( 6)、淀积的速率、膜的厚度和膜的均匀性能更好地控制。 这两种工艺的详细比较如表3 . 1 所示 硕士论文毫米波高功率放大器设计 表 3 . 1 蒸发和滋射工艺的比较 特性真空蒸发溅射 机理热能淀积速率 高 ( 到7 5 0 仪 力 a 加i n ) 动量转换。 淀积速率低(20 l ooa 加i n)， 个别金属 例外 ( cu1 0 0 00a 加i n ) 淀积控制有时困难重复性好，容易控制 复杂形状的舰盖能力差， 只能搜盖视线范 围 好，但厚度不匀 小盲孔的覆盖能力差， 只能覆盖视线范 围 差 金属淀积可以可以 合金淀积不能有些可以 难熔金属淀积可以 ( 用电子束)可以 塑料不能有些可以 无机化合物( 氧化物、 氮化物) 一般不能可以 淀积物种的能量低 ( 01 0 . s e y )高 ( 1 1 0 0 e v ) 对基片的附着力好优 硕士论文毫米波高功率放大器设计 ( 二)光刻工艺 在光刻工艺过程中， 其关键步骤的框图如图3 . 3 所示: 图3 . 3 光刻工艺的 关健步骤 其中， 光刻胶是由溶解在一种或多种有机溶剂中的光敏聚合物或初始聚合物构成 的有机合成物。 它们有两种类型: 一种能在曝光时进一步聚合或交叉链接形成加固的 能抵抗刻蚀溶液的覆盖物( 负型) ; 另一种能在曝光时分解， 断裂并可被溶解 ( 正型) 。 液体光刻胶通过自 旋的方法添加到基片上， 在光刻胶涂覆工艺中， 光刻胶应加在基片 中心， 而基片 ( 用真空卡盘吸住) 要在圆桌上转动。液体光刻胶加在固定的基片上且 允许它散开。 基片以约s o o r p m 的转速自 旋3 4 使胶散开。 然后， 自 转速度增加3 5 00 5000rpm ，约持续 3 05，离心力迫使光刻胶向外，且完善均匀地覆盖在基片上。在基 片的外边缘处会发生一些厚度偏差， 因为在这个区域中总会有些光刻材料的堆积， 然 而， 几种新的“ 无纹痕” 光刻胶现在已被