基于功率合成方法的250 mW V波段功率放大器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

功率放大器是毫米波頻段發(fā)射機(jī)不可缺少的關(guān)鍵部件，輸出功率的大小決定了整個(gè)系統(tǒng)的作用距離和抗干擾能力。在毫米波系統(tǒng)中，隨著頻率的升高，單個(gè)MMIC芯片的輸出功率已經(jīng)不能滿足實(shí)際的使用要求，尤其是非大氣窗口頻段，由于該頻段電磁波的傳輸受氧分子和水蒸氣分子吸收而衰減嚴(yán)重。一般應(yīng)用于軍用保密工作及近距雷達(dá)探測(cè)、通訊系統(tǒng)中，相應(yīng)的器件輸出功率也較小，因此，多采用功率合成的方法，將多個(gè)放大器單元組合在一起實(shí)現(xiàn)較大的功率輸出。

放大器工作在V波段，用于一種彈上近距探測(cè)系統(tǒng)，充分利用非大氣窗口波段的衰減特性實(shí)現(xiàn)保密和抗干擾。

1 功率放大器的設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)指標(biāo)要求

按照系統(tǒng)的基本要求，放大器主要技術(shù)指標(biāo)：工作帶寬2 GHz;輸出功率≥200 mW;增益20～25 dBm;輸入輸出口WR15。

1.2 功率器件的選取

為滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，選用工作頻帶較寬的三端FET功率放大器件。選取Eudyna Devices公司的FMM5715X作為功率合成單元，F(xiàn)MM5715X是端口阻抗內(nèi)匹配為50 Ω的多管合成功率單片。工作頻率為57～64 GHz;工作溫度范圍：-45～+85℃，存儲(chǔ)溫度范圍-55～+125℃;最大允許輸入功率3 dBm;可單電源工作，在直流偏置3 V/150 mA條件下，60 GHz頻率處典型性能P1 dB為16 dBm，飽和功率17 dBm，小信號(hào)增益17 dB。特性參數(shù)如圖1所示。

1.3 合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

1.3.1 合成網(wǎng)絡(luò)總體方案

在V波段，單管輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到功率輸出需求，即使是采用多管合成的MMIC功率器件，單器件也滿足不了技術(shù)指標(biāo)。于是，采用多器件的功率合成技術(shù)是完成本項(xiàng)目的必然選擇，目前比較成熟的功率合成技術(shù)是采用端口駐波較好的兩路電橋，由多級(jí)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)多路合成。設(shè)計(jì)的放大器即采用基于波導(dǎo)低損耗傳輸線結(jié)構(gòu)的兩路二進(jìn)制多級(jí)功率合成技術(shù)，該合成網(wǎng)絡(luò)由兩部分組成，功率驅(qū)動(dòng)級(jí)和功率放大合成級(jí)，每部分包括3級(jí)二進(jìn)制網(wǎng)絡(luò)，由波導(dǎo)分支線電橋和波導(dǎo)-微帶過(guò)渡組成。合成網(wǎng)絡(luò)框圖如圖2所示。

8路功率分配時(shí)，每一級(jí)網(wǎng)絡(luò)損耗計(jì)為0.3 dB，路徑損耗計(jì)為0.5 dB;若要使得所有合成時(shí)功率器件飽和工作，F(xiàn)MM5715X輸入功率應(yīng)》2 dBm，計(jì)入以上損耗后，折算到功率分配網(wǎng)絡(luò)輸入端的功率為12.4 dBm，顯然，驅(qū)動(dòng)級(jí)由單路FMM5715X足以滿足這—要求。

當(dāng)合成網(wǎng)絡(luò)中所有功率器件均處于飽和工作狀態(tài)時(shí)，對(duì)單級(jí)損耗為0.3 dB，3級(jí)功率合成，由損耗引起的合成效率為80%;若計(jì)合成支路間最大幅度和相位不平衡程度分別為3 dB、30°，引起相應(yīng)合成效率為90%;對(duì)8路功率合成，總的合成效率為

當(dāng)器件飽和工作時(shí)，8路合成輸出為17+7.07=24.07 dBm或255 mW，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。電路各部分損耗為4 8 dB，整個(gè)合成放大器小信號(hào)增益約為29.2 dB。

1.3.2 兩路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)

在毫米波固態(tài)集成功率合成技術(shù)的研究中，有一種兩路波導(dǎo)微帶集成功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。該結(jié)構(gòu)由兩路面對(duì)面微帶探針經(jīng)波導(dǎo)E面插入，實(shí)現(xiàn)同相寬帶功率分配/合成，同時(shí)又完成波導(dǎo)與微帶間的過(guò)渡轉(zhuǎn)換。兩微帶線處于面對(duì)面位置，當(dāng)集成固態(tài)功率器件時(shí)，可提供良好的散熱通道，保證器件可靠工作和性能發(fā)揮。為獲得足夠的固態(tài)功率器件安裝空間，適當(dāng)增加合成網(wǎng)絡(luò)部分波導(dǎo)尺寸，為滿足標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)端口條件，根據(jù)工作帶寬要求，選擇適當(dāng)?shù)牟▽?dǎo)阻抗變換段。電磁場(chǎng)分析表明，在55～60 GHz范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)損耗《2 dB，與單個(gè)波導(dǎo)微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)相當(dāng);由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱原因，兩微帶端口具有良好的幅度和相位平衡特性。

1.3.3 V波段3 dB波導(dǎo)分支電橋

兩級(jí)以上的功率合成需要建立在波導(dǎo)電橋基礎(chǔ)上，電橋的低損耗、寬頻帶以及良好的端口駐波和支路隔離是穩(wěn)定可靠的功率合成技術(shù)前提。由于本項(xiàng)目要求的相對(duì)帶寬較窄，采用3個(gè)分支節(jié)就能達(dá)到指標(biāo)要求。結(jié)構(gòu)中，考慮到電橋加工可實(shí)現(xiàn)性，電橋波導(dǎo)截面尺寸適當(dāng)增加，同時(shí)將波導(dǎo)分支節(jié)的耦合孔長(zhǎng)度減小，寬度增加，使得所有加工尺寸》1 mm，減小機(jī)械加工難度，提高相應(yīng)誤差容量，降低加工成本。這種結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，降低了合成網(wǎng)絡(luò)中分支電橋與波導(dǎo)-微帶三端口網(wǎng)絡(luò)的連接不連續(xù)性大小。