Q波段固态功率放大器12W模块的设计

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摘 要：针对传统功率放大器体积大、功率低等问题，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种适用于Q波段43.5 GHz～45.5 GHz固态功率放大器12 W模块。对功放模块内部结构作了详细介绍，利用电磁仿真软件CST对该模块进行建模并仿真优化。仿真结果表明，该结构具有较好的幅相一致性、较高的匹配性能、较低的损耗等特点。设计的整机模块具有体积小、易散热等特点。可用此模块研制该频段更高功率的放大器，为小型化、大功率固态功放的研制提供了思路。

关键词：固态功放；仿真；功率合成；TGA4046

中图分类号：TN72 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）08-00-04

0 引 言

微波功率放大器作为发射机中至关重要的部件，广泛应用在空间电子、雷达、电子对抗、卫星通信、气象预警、环境监测、遥感遥测等军用和民用系统中，是目前研究的热点领域。当前，微波固态功率放大器具有稳定性高、体积小、效率高、易集成、使用方便等优点。而微波固态功放是否具备足够大的发射功率是其能否在系统中可靠工作的重要因素。单个MMIC功放芯片的功率输出有限，为了获得较大的功率，通常采用功率合成的方法实现。功率合成技术经过近年来的高速发展，已发展为管芯型功率合成、电路型功率合成、空间功率合成和混合型功率合成等研究方向[1]。文献[2，3]利用多路同轴径向合成技术研制了S波段800 W及以上的功率放大器，对超大功率放大器的研究是一个重大突破。在高频段机载和星载系统中，对功放体积有着极为苛刻的要求。因此，如何研制大功率、小型化的功放是目前需解决的两个关键问题。

国内对于Q频段固态功放的研究相对较少，研究最多的固态功放在Ka频段。而对于功放模块的研究已有很多尝试。文献[4-6]研究的功放模块虽有较小的体积，但其研究的频段均在18 GHz以下，对于Q波段及更高频率的功放研究国内更是寥寥无几。如在V及以上波段的MMIC放大器[7-9]，其输出功率为mW量级，国外亦如此[10，11]。而一些W波段放大器能达到kW级功率[12]，但其工作条件限制了功放的广泛应用。本文研究的Q波段固态功率放大器模块的输出功率为12 W的连续波，工作频率为43.5 GHz～45.5 GHz，整个模块插损低于1 dB，结构紧凑，完全满足小型化的应用需求。

1 分析与设计

1.1 结构分析

考虑到所设计功放模块的功率要求，该模块也采用功率合成的方法[13]。根据现有条件，利用一个功率分配结构将输入信号分配成若干工作单元得到多路信号，在每个工作单元分别加上信号放大级，如功放芯片或器件等对各个单元支路信号进行放大，然后经过一个功率合成结构将各经过放大的支路信号合成一路信号，最后将信号输出。

按照以上思路，如何设计该模块的功分/合成网络、如何选用功率放大芯片是设计功放模块的主要方面。在设计过程中，应当尽可能地减少信号传输路径的损耗，使得整机具有较高的工作效率。常见的功率分配/合成结构有Wilkinson功分器、3 dB耦合器、3 dB电桥、T形功分器波导魔T等结构。在信号的传输方式上，相对于传输线，采用均匀波导传输微波信号具有更低的损耗。Wilkinson功分器常用于带状线毫米波系统中，基于波导的3 dB耦合器和3 dB电桥在频率较低的情况下具有较好的幅相一致性[14，15]，在更高频率的情况下，幅相特性会恶化，从而降低合成效率。因此采用波导魔T和T型结构作为功率合成/分配网络，其具有结构紧凑、平衡性好、损耗低的优良性能，提高了整个功分/合成网络的效率。

1.2 功率器件

功放芯片作为Q波段固态功率放大器12 W模块最为核心的器件，对芯片的选择综合考虑了芯片的工作带宽、功率输出、插入损耗、工作效率、饱和增益、尺寸、成本等多种因素。近年来，相对于传统功放使用的行波管，单片微波集成电路（MMIC）的使用越来越体现了其优越性[16]，故决定采用Triquint公司的TGA4046芯片。TGA4046芯片以微波研究领域广泛应用的GaAs为材料，利用0.15 μm的pHEMT工艺研制的MMIC。其供电电压为Vd=6 V，电流为Id=2 A，适用频段为41～46 GHz，在17 dBm驱动功率推动下，饱和输出功率可达33 dBm，具有17 dB的标称增益，16 dB的回波损耗，是目前Q波段43.5 GHz～45.5 GHz范围内最大输出功率的商用MMIC芯片。芯片尺寸为3.45 mm×4.39 mm×0.10 mm，研制该模块时，需要采用专业的微组装技术。常温环境下，最长使用寿命可达106小时，能保证模块长期稳定可靠地工作。TGA4046的外形和主要指标如图1所示。

1.3 整体结构

由于所采用的功放芯片的最大射频输出功率仅有2 W（33dBm），因此必须使用多个这样的芯片以达到整个模块12W输出功率的目标。考虑到功分/合成网络的损耗以及MMIC输入/出口与波导之间的微带-波导过渡结构的损耗，拟采用8片TGA4046实现12 W功率输出。

基于以上分析，要设计的Q波段固态功率放大器12 W模块内部包含两个波导魔T结构、4个E面T形功分/合成结构，8个单片微波集成电路（MMIC）。加上必要的隔离措施，再将8个单片微波集成电路（MMIC）每两个芯片为一组背靠背置于4个单元腔体内，以显著缩小整个模块的体积。整机内部结构如图2所示。

2 建模与仿真

CST工作室套装是面向3D电磁、电路、温度和结构应力设计工程师的一款全面、精确、集成度极高的专业仿真软件包。包含多个工作室子软件，集成在同一用户界面内，其中三维电磁场仿真软件为用户提供完整的系统级和部件级数值仿真优化。软件覆盖整个电磁频段，提供完备的时域和频域全波电磁算法和高频算法。根据本功放结构，利用CST重点对功分/合成网络中的波导魔T以及整个功放模块进行建模仿真，并分析其相关特性。

2.1 波导魔T理论分析与仿真

波导魔T又称为波导双T，其在一个公共对称面上接一个E-T接头和H-T接头[17]，是一个无耗4端口网络，波导魔T结构如图3所示。通常在两T形波导接头处加楔体、膜片或椎体[18，19]，使其实现增加带宽等效果。在工程应用中，根据实际需要采用不同频段的标准端口尺寸，由于其结构本身具有对称性[20]，故其对微波信号的处理具有如下特性：

各端口完全匹配；端口1、2相互隔离，端口3、4也相互隔离；由端口3输入的射频信号在端口1、2会输出等幅反相的信号，端口4无输出信号；由端口4输入的射频信号在端口1、2会输出等幅同相的信号，端口3无输出信号；若端口1、2同时加入信号， 则端口3输出的信号等于两输入信号相量差的1/倍，端口4输出的信号则等于两输入信号向量和的1/倍。其散射参量矩阵（S阵）可以表示为：

波导魔T的特性使得该结构被广泛应用于鉴频器、平衡鉴相器、双工器、功率分配器等微波器件中。

为了进一步研究所用方案的可行性，按照相关实例流程[21，22]，根据所需频率范围，采用标准BJ400矩形波导（5.69mm×2.845mm），利用CST对波导魔T结构建立的模型如图4所示。

将端口4作为隔离端，端口1作为输入端，端口2、3作为输出端，设定好端口激励和求解频率后，对该结构进行仿真分析，求得S参数如图5所示。

仿真结果显示，在43.5 GHz～45.5 GHz范围内，输入端口反射系数在-25 dB以下。S21与S31曲线几乎重合，两路功分不平衡度在0.1 dB内。可见分配后的支路信号具有良好的一致性。由参数S23可以看出，端口2、3之间的隔离度较高，在-26 dB以下。整个结构插损在0.02 dB以内，保证信号在该结构中高效的传输。

2.2 模块内部结构仿真分析

根据本文对固态功放12 W内部模块的分析和描述，可以建立该模块内部结构的仿真模型。值得注意的是，所采用的波导尺寸为标准BJ400矩形波导，T形功分两臂波导宽边与BJ400波导宽边尺寸相等，窄边是BJ400波导窄边尺寸的一半。芯片与T形功分支节相连部分通过波导-微带过渡的结构实现。所建立的模型如图6所示。

该结构具有高度对称性，在对各高频信号分量进行放大的过程中，能够很好地保证各信号分量的幅度和相位的一致性，可使信号有效传输。利用HFSS软件对该结构进行仿真分析，对关键参数优化之后，得到的S参数如图7所示。

仿真结果显示，在43.5 GHz～45.5 GHz频段内，Q波段固态功率放大器12 W模块结构两端口传输损耗小于0.5 dB，端口反射均大于23 dB，在如此高的频率下达到这种效果十分不易，表明该结构具有良好的端口阻抗匹配[23]。

2.3 模块整机设计

考虑到实际需要，将Q波段固态功率放大器12 W模块内部结构以及芯片正常工作所需供电电源PCB置于同一个金属腔体内，便于装配。模块工作时，整个外金属腔体固定于金属面基座上，通过金属热传导方式有效散热。为了减小整个模块的纵向尺寸，模块的波导输入输出口均置于模块上侧，这也是将波导魔T的端口4作为隔离端的原因。整个结构波导输入输出口预留了一定的位置，以连接标准BJ400波导法兰盘。整个模块体积仅为96 mm×45 mm×21 mm，完全实现了模块小型化功率合成的应用需求。设计的整机结构如图8所示。

3 实物及测试

Q波段固态功率放大器12 W模块实物如图9所示，模块表面及波导内壁都作了镀金处理，使得微波器件既有良好的表面导电性能，又有良好的抗氧化腐蚀性。模块的一端设有一端口，用于连接外部电路实现对信号的控制、检测、保护功能。

由于该器件以波导为输入输出口，故在测试中需要连接波导同轴转换器，详细测试框图如图10所示。

经过测试，得到功放模块在各频点的功率，如图11所示。

由仿真结果可看出，该固态功率放大器在43.5GHz～45.5 GHz频段内的实际功率均满足12 W的功率要求。

4 结 语

采用以TGA4046为核心的单片微波集成电路研制了Q波段固态功率放大器12 W模块。对其实现方案作了介绍，并对模块内部结构进行了建模与仿真分析。仿真结果表明，该结构具有极低的传输损耗，功分/合成网络间支路信号具有较高的一致性，验证了该方案的可行性。对该模块整机结构进行设计。对实物的测试结果表明，在43.5 GHz～45.5 GHz频段内，功放模块达到最佳工作状态，通带内功率平坦度为±0.25dBm，输出功率接近12 W，随着输入频率的增加，输出功率下降趋势明显。该模块还具有体积小、易加工等特点，有利于工程化应用。可以考虑利用该模块作为组件研制更大功率的固态功放，比如通过径向波导功率合成技术利用该模块作为信号放大单元，合成该频段百瓦量级的固态功放，对更大功率固态功放的研究具有重要的参考价值。

参考文献

[1]胡海，梁实，文光俊.毫米波空间功率合成技术研究进展及趋势[J].微波学报，2014（6）：636-645.

[2]刘聪.S波段大功率固态功率放大器及径向波导合成器研究[D].成都：电子科技大学，2011.

[3]李良朝.S波段大功率固态功率放大器及径向波导功率合成器研究[D].成都：电子科技大学，2007.

[4]林川，杨斌，苑小林，等.一种基于Lange耦合器的S波段小型化集成功放[J].固体电子学研究与进展，2012，32（6）：565-568.

[5]朱兆君，贾宝富，罗正祥，等.S波段小型化微带低噪声放大器的研制[J].电子器件，2006，29（2）：405-408.

[6]赵哓坤.微波固态功率模块及其关键技术研究[D].成都：电子科技大学，2010.

[7]李和委.W及以上波段MMIC放大器的研究进展[J].半导体技术，2009，34（7）：626-630.

[8]刘抒民.V波段低噪声放大器的设计[D].南京：南京理工大学，2004.

[9]申明磊.V波段毫米波功率放大器的研究[D].南京：南京理工大学，2004.

[10] HUANG P，LAI R，GRUNDBACHER R，et al.A 20 mW G-band monolithic driver amplifier using 0.07μm InP HEMT[C].IEEE MTT-S Int Microwave Symp Digest.San Francisco，USA，2006：806-809.

[11] Jungsik Kim， Sanggeun Jeon， Moonil Kim，et al.H-Band Power Amplifier Integrated Circuits Using 250-nm InP HBT Technology[J].IEEE Transactions on terahertz science and technology， 2015，5（2）：1-8.

[12]来国军，刘濮鲲.W波段二次谐波回旋行波管放大器的模拟与设计[J].物理学报，2007，56（8）：4515-4522.

[13]谢小强，林为干，徐锐敏.一种新型的毫米波功率合成电路[J].红外与毫米波学报，2006，25（1）：25-28.

[14]王建武，傅文斌.3dB电桥的幅频特性和相频特性分析[J].空军雷达学院学报，2005，19（2）：24-27.

[15]李军，方建洪，冯皓.E 面波导3dB耦合器的设计[J].真空电子技术，2011（2）：40-42.

[16]赵正平.固态微波毫米波、太赫兹器件与电路的新进展[J].半导体技术，2011，36（12）：897-904.

[17]赵波，李家胤，周翼鸿.8mm波导魔T的仿真分析[J].真空电子技术，2008（9）：22-24.

[18]周蒙，曹卫平.一种新型宽带波导魔T的设计[J].桂林电子科技大学学报，2013，33（6）：435-438.

[19]孟晓君，任卫宏，孔小进，等.6.5-18GHz大功率双脊波导魔T研制[J].真空电子技术，2014（2）：28-31.

[20]杜仑铭，徐可荣.宽带波导魔T的设计[J].舰船电子对抗，2006，29（3）：52-54.

[21]谢拥军.HFSS原理与工程应用[M].北京：科学出版社，2009.

[22]李明洋.HFSS电磁仿真设计应用详解[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[23]Reinhold Ludwig，Gene Bogdanov.RF Circuit Design Theory and Application（Second Edition）[M]. 北京：电子工业出版社，2013.