最新Ka频段1W固态功率放大器设计和研制.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-dateKa频段1W固态功率放大器设计和研制摘 要摘 要本文论述了一个Ka频段1W固态功率放大器设计和研制。设计中，采用毫米波微带混合集成技术，实现了标准BJ320波导接口的毫米波固态功率放大。波导微带过渡使用比较成熟的毫米波E面微带探针结构，确定了由毫米波中功率MMIC驱动末级高功率MMIC的两级功率放大方案。经理论推导及电磁仿真优化，设计了放大器微带集成波导端口无源网络，

2、并加工和测试，实验表明，在3336GHz范围内插入制作的波导微带过渡损耗小于0.2dB，回波损耗优于-20dB，结果与理论分析一致。在此基础上，采用毫米波固态器件精密装配工艺，安装了驱动级和末级功率单片：AMMC5040、TGA1141EPU。经调试和测量，在33-36GHz的范围内实现了,小信号增益大于37dB，饱和输出功率大于31.1dBm，在33GHz达到最大，为33.6dBm。毫米波功率放大器指标达到了设计要求。本文论述的毫米波固态高功率放大器，电路结构简洁、便于加工与实现，具有一定的工程设计与研究价值。所设计的毫米波固态功率放大器，在较宽频带内实现了较高的增益放大以及较大的功率输出，

3、使用方便，可广泛地应用于毫米波通信、雷达等系统中。关键词：毫米波、功率放大器、毫米波混合集成、波导微带E面探针、功率-ABSTRACTThis paper discusses the design and development of a solid-state power amplifier in Ka-band, which has an output power over 1 watt.The design adopts millimeter wave microstrip hybrid integrated technique, carries out the millimeter w

4、ave solid-state power amplifier with the standard BJ320 waveguide ports. Transitions from waveguide to microstrip use a matured structure of microstrip E-plane probe. The amplifier use method of two-class power-amplifying, which employ a middle power MMIC driving an end class high power MMIC. By the

5、ory deducing and electromagnetism emulation, a passive network was fabricated and the measured result indicates that the insert loss of the single transitions from waveguide to microstrip is less than 0.2 dB and the return loss is less than -20 dB, in 3336 GHz. This results and theories meet a good

6、agreement.On this basic, this amplifier adopted a precision technique assembling millimeter wave solid-state devices, e.g., AMMC5040 and TGA1141EPU respectively. The measured results indicate that the small signal gain is over 37dB, and the saturated output power is over 31.1dBm. A maximum output po

7、wer, 33.6dBm, is obtained in the 33GHz.The solid-state high power amplifier discussed in this paper has a simple structure of circuit, which is easy to manufacture and realize, and is valuable of engineering design and research. This fabricated solid-state power amplifier, possessing a high gain and

8、 a high output power, which could be conveniently used, can be broadly applied in a millimeter wave communication, radar etc.Key words: Millimeter wave, power amplifier, millimeter wave hybrid integration, waveguide microstrip E-plane probe, power目 录第1章 引 言1第2章 毫米波集成传输线32.1 微带线的结构与特性32.1.1 概述32.1.2

9、微带线的结构42.1.3 微带线的准TEM 特性42.1.4 微带线的损耗、品质因数、色散特性和尺寸限制72.2 矩形波导到微带线的过渡92.2.1 概述92.2.2 波导微带探针的结构形式10第3章 功率放大器的理论分析133.1 功率放大器的特性参数133.1.1 功率放大器稳定性分析133.1.2 输出功率143.1.3 功率增益143.1.4 增益平坦度163.1.5 功率效率和功率附加效率163.2 固态功率放大器的设计方案173.2.1 固态功率放大器的技术指标173.2.2 电路形式的选择183.2.3 系统框图的确定183.2.4 介质基片的选择203.2.5 单片的选择20第

10、4章 功率放大器的实现与测试224.1 波导微带线过渡模型的实现224.2 功率放大器的装配264.2.1 MMIC 芯片的安装264.2.2 金丝压焊互联结构对Ka频段功率放大器整体性能的影响274.2.3 各级放大芯片的安装314.3 固态功率放大器的测试324.3.1 小信号增益测试334.3.2 1dB压缩点输出功率以及饱和输出功率344.4 对Ka频段固态功率放大器电路的误差分析38第5章 结 论39参考文献41致 谢43外文资料原文45译 文52第1章 引 言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1 2 3。对雷

11、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。作为毫米波发射系统的关键部件功率放大器，其输出功率的大小直接决定了发射机的作用距离、抗干扰能力及通信质量。而毫米波固态功率放大器具有体积小、重量轻、电源电压低、寿命长等优点，这使其在雷达、通信和电子对抗系统中得到广泛应用。由于毫米波固态集成传输线损耗大，毫米波固态器件输出功率不高等固有的缺点，使得毫米波高功率固态源的获取成为毫米波集成电路及系统应用与发展的瓶颈。高功率毫米波固态功率放大器研制一致是国内研究人员的热门话题。国外在Ka频段26.SGHz-40GHz的低端26.5GHz-35GHz开发

12、了种类相当丰富的功率放大产品。如S. Tanaka 4等人利用HBT制成的Ka频段MMIC功率放大器内部采用了完全匹配，在Ka频段有1W以上的连续波功率输出。在30GHz，功放的最大输出功率为1.59W，功率附加效率的峰值有35%，线性增益6.5dB。而从实现方法上来看，多为用 MMIC芯片进行功率合成；或者直接在MMIC芯片内部使用功率合成技术制作出有较高功率输出的MMIC芯片，再配合其它MMIC驱动芯片提供适当的驱动，构成级联放大器。目前国内一些从事微波、毫米波电路与系统的高校与研究所都在致力于利用功率合成技术来提高固态功率放大器的输出功率。比如：南京电子器件研究所研制的C波段19瓦MMI

13、C多芯片合成功率放大器5；西安无线电技术研究所研制的Ku频段10瓦矩形谐振腔四路功率合成固态放大器6等。针对固态功率放大器在毫米波固态功率发射机中的应用，本课题成功研制出了在3336GHz范围内连续波输出功率大于1瓦的功率放大器。所做的主要工作概括如下:1） 在频率33GHz36GHz范围内，提出以毫米波微带混合集成技术，BJ320波导接口，输出连续波功率大于30dBm的固态功率放大器设计方案。2） 经电磁理论分析和仿真优化，设计满足功率放大器要求微带波导过结构，并应用于功率放大器无源电路（未装功率器件时）中。根据设计优化结果加工并得到测试结果，作出相应的分析。3） 在无源电路上安装了驱动级和

14、末级功率单片，经调试和测量，作出相应的分析。第2章 毫米波集成传输线2.1微带线的结构与特性2.1.1概述在混合集成电路中，电路基片的选择受到多种因素的制约。为了增大高水平部件的集成度，可以采用不同的特性的电路媒介，以便获得最好的电路性能。人们已作过不少工作并继续在进行相关传输媒介的理论研究。截止目前，至少有15种不同的电路媒介可供毫米波混合集成电路选择7。图2-1是一些可以成为毫米波混合集成媒介。图2-1 一些比较有发展前途的混合集成媒介这些电路媒介可以分成两类，横电模（TE模）类传输线和准TEM模传输线。前者包括矩形波导、鳍线、槽线、镜像线，后者包括微带线、共面线、嵌入式转置微带以及悬置带

15、线在内的双导体传输线。而微带线、悬置带线、鳍线在毫米波系统应用中是较为广泛的。在毫米波频段，最常用的平面传输线是微带线，它具有生产一直性好，有源器件应用容易，应用频率可达100GHz 。本文就是运用微带线作为连接电路的电路媒介。2.1.2微带线的结构微带传输线是由介质基片以及其两边的导体带条、接地板所构成,基片是电磁场传输的媒质，又是电路的支撑体。标准微带线的结构、电场E和磁场H以及微带线上的纵向电流密度如图2-2所示8。图2-2准微带线微带线基板厚度H，相对介电常数Er，当介电常数远大于空气介电常数E0，且频率较低时，电磁场基本存在介质基板内，此时的电磁场模式可以认为是横电磁波，即TEM波，

16、但事实上总会有一小部分电磁场存在于空气中，在空气和基板交界而处出现电磁场的不连续状态，因此，微带线中传播的电磁波小是纯TEM波，而是包含一定成分的纵向分量，因此称之为准TEM波。从图2-2（c）可以看出，微带线上的电流分布沿微带边沿电流密度大，因此，是电流损耗的主要组成。2.1.3微带线的准TEM 特性由于微带线上传输的是准TEM波，因此其传输参数不能简单套用长线理论的结论。准静态法是将这种准TEM 模式看成纯TEM 模，通过引入相对有效介电常数为的均匀介质来代替原微带的混合介质，从而使导带处在的连续介质中，如图2-3所示。图2-3填充均匀介质的微带线这种等效的条件是标准微带的单位长分布电容

17、，应等于全填充等效介质的微带线的单位长分布电容。 若设空气微带的单位长分布电容为，显然等效介质中微带线的单位长电容为所以有效介电常数定义为 (2-1)引入等效介质和有效介电常数后，就可由前述长线理论得到标准微带线的传输参数为：相速，相波长，相移常数特性阻抗：(2-2)式中为空气微带的特性阻抗（c 为光速），的大小与基片厚度h 和导带宽度W 有关。但由于电力线部分在空气中，部分在介质中，所以的值是介于1之间的。从(2-2)式可以看出，微带线的传输参数最终归结为求解空气微带的特性阻抗（即求解单位长分布电容）及有效介电常数。和可用保角变换法得出精确解，但都是复杂的超越函数式。工程上是用曲线拟合法逼近

18、严格的准静态解曲线，得到一组近似计算公式。下面给出零厚度（t =0）微带线的近似计算公式 (2-3a)在，内，上式的精度优于1%。当导带厚度时，可将t 的影响等效为导带宽度变宽为，在th，tW/2条件下，修正公式近似为 (2-3b)式中微带线电路的设计通常是给定和要计算导体带宽度W。此时可由上式得到综合公式 （2-4）(2-3)式可用于微带电路的 CAD 有时也把表示成 （2-5）式中称为填充系数，它表示介质填充的程度。q的值主要取决于微带线的横截面尺寸W/h， 由(2-3a)式中的表达式可得 （2-5b）微带线的特性阻抗也满足导带越宽，阻抗越低；导带越窄，阻抗越高的关系，通常称这些窄、宽线为

19、高、低阻抗线。2.1.4微带线的损耗、品质因数、色散特性和尺寸限制对传输线来说，除了其特性阻抗和有效介电常数是必须考虑的重要参量之外，它的传输损耗、功率容量和品质因数在一定场合也是必须考虑的重要参量9。传输线上一般存在三种损耗，这就是由导体导电率的不理想引入的导体损耗，由介质不理想引入的介质损耗和由于传输过程中向外辐射能量引入的辐射损耗。这些损耗通常用它们对应的衰减常数来表征。对于微带线其功率损耗主要由导体损耗和介质损耗两个因素造成。1）导体损耗：微带线的导体带条和接地板均具有有限的电导率，电流通过时必然引起热损耗。在高频情况下，趋肤效应减小了微带导体的有效截面积，更增大了这部分损耗。由于微带

20、线横截而尺寸远小于波导和同轴线，导体损耗比较大，是微带线损耗的主要部分。近似为 (2-6a)2）介质损耗：当电场通过介质时，由于介质分子交替极化和晶格来对回碰撞，而产生的热损耗。为了减小这部分损耗，应选择性能优良的介质作为基片材料。介质衰减常数近似为 （2-6b）这样，微带线中的总损耗就是： （2-7）在同样H/比值下，高介电常数基片的损耗比低介电常数基片的损耗更大。H为基片厚度，为存在介质时传输线上的波长。并且基片厚度H越大，微带线损耗越小；频率越高，微带线损耗越大。另外，由于微带电路中微带线场结构的半开放性，电路的不连续性导致辐射损耗存在。减小线的横截面尺寸时，这部分损耗就减小，而只在线的

21、不均匀点才比较显著。为避免辐射，减小衰减，并防止对其它电路的影响，一般微带电路均装在金属屏蔽盒中。相对可比横截而的矩形波导和同轴线来讲，虽然微带线不宜用作高功率电路。但这类传输线在中功率使用时的功率容量极限还是有用的。微带中可能传输的最大功率受限于由导体损耗和介质损耗引起的热效应和介质击穿效应。导体损耗和介质损耗造成的温升限制了微带电路中的平均功率，而导体和接地板之间的介质击穿则限制了微带电路中可能传送的最大功率。微带线中的功率容量可以用不产生介质击穿的最高峰值电压来确定，如果微带线的特性阻抗为，它可承受的最大电压用表示，那么其对应的功率就是： （2-8）显然，对同样的击穿电压，基片越厚可承受

22、的电压就越高。因此，低阻线和厚基片电路就具有较高的功率容量。此外，在扁平导体条带中，由于条带导体的陡变边缘集中有比较强的电场，而且随导体边缘陡度的改善，次电场的集中就将减弱，因此厚而圆滑的导体条带将有助于提高击穿电压，从而提高微带的功率容量。当用微带线构成腔体、滤波器等元件时，常常要考虑到品质因数Q的问题。Q值的定义和低频电路的相同，即： （2-9）微带线上真正传输的是TE-TM的混合模，其传播相速与频率有关，是弱色散波，通常工作频率较低时，可以忽略这种色散现象。而上述与频率无关的传输参数也只适用于较低的工作频率。当频率升高时，由于色散效应，其相速要降低，要增大，特性阻抗要减小。因此微带线的工

23、作频率受到诸多因素的限制，不可能到达很高的微波频段，其最高工作频率可按下式估算 （2-10a）研究结果表明，在工作频率时，可以不考虑色散对的影响，但对的影响较大，可用下述修正公式计算 (2-10b)式中 微带线中除了准TEM模外，和带状线一样，也有高次模式，主要是波导模和表面波模。为了抑制高次模，微带线的横向尺寸应选择为 金属屏蔽盒的高度H取为，接地板的宽度。2.2矩形波导到微带线的过渡2.2.1概述在毫米波频段，目前传输线主要有一波导和平而传输线两种形式。随着平而传输媒介的深入研究，混合集成电路和单片集成电路的不断增加，微带电路正在越来越多的场合取代金属空波导，成为制作微波、毫米波元器件的重

24、要传输线。但是，目前许多的毫米波测试系统和部件的接口是采用标准矩形波导:为便于测试、天馈以及独立微带电路之间的连接，常常需要将微带电路输入、输出端口通过转换结构过渡到矩形波导。在需要将信号作一段距离的传输时，也必须将电路从微带转换至波导，以降低传输损耗10。因而采用微带的毫米波集成电路往往都必须具有宽带特性的波导微带过渡的接口。对这些过渡装置的基本要求是：1） 传输损耗要低，回波损耗要高，而且应有足够的频带宽度。也就是保证信号能量的单向低耗传输，即在输入端，从信号源出口到微带电路输入口的损耗应尽量地小，而从微带电路反射的信号小或尽量小地传至信号源。在电路输出端情况正好相反；2） 装卸容易，并具

25、有良好的重复性和一致性；3） 与电路协调设计，并便于加工制作；目前，实现波导到微带线过渡转换装置的主要方法有：（1）波导脊波导微带线过渡；（2）波导对脊鳍线微带线过渡；（3）波导探针微带线过渡。脊波导是一种简单而有良好过渡特性的结构，但需要精确的机械加工，体积也较大；鳍线过渡加工和安装方便，但存在插损大、体积较大和结构复杂的缺点且会产生谐振效应，不易实现宽带过渡。微带探针过渡是目前应用最为广泛的波导微带过渡形式，其优点为：插入损耗低、回波损耗小、频带宽，且结构紧凑、加工方便、装卸容易，特别适合于毫米波应用11。本论文中我们着重讨论波导微带探针过渡形式。2.2.2波导微带探针的结构形式探针型转换

26、结构是从同轴探针发展而来，通过一段起耦合探针作用的微带线把波导中的电场耦合到微带中去，然后用一段高感抗线抵消其电容效应，实现探针与微带线阻抗匹配。矩形波导中离开过渡器/4的短路活塞保证探针在波导中处于最大电压，即电场最强的位置。介质基片穿过矩形波导安装，以提供一个波导窗并提供基片定位保证，因此构成一种密封结构。1988年Yi-Chi Shih等人设计的探针转换在Ka频段插入损耗最小达到0. 4dB，回波损耗达15dB；在W频段插入损耗达2dB，回波损耗达15dB12。 1999年，Yoke-Choy Leong和Sander Weinreb做了相似的结构形式，在85-120GHz间最大的插入损

27、耗为1. 5dB，最小的回波损耗为8. 5dB13。2002年，最新的文献报导，山S.Llorente-Romano等人设计制作的波导微带探针转换形式在Ka频段27-35GHz之间插入损耗最大为0.95dB，最小的回波损耗为18dB14。2003发表的参考文献11中，提到过渡在整个Ka频带内插入损耗为0.30.9dB之间以上数据均是两个背对背过渡的测试结果，包括微带线及输入、输出波导的损耗。探针型结构又分为两种形式:一种为基片表而与波导中波传播方向垂直，另一种为基片表而与波导中波传播方向平行。他们的分析方法相同，结构如图2-4所示：图2-4微带探针过渡的常见结构(a)，(b)波导同探针平面平行

28、 (c)，(d)波导同探针平面垂直微带线插入波导形成电探针。任一个沿探针方向具有非零电场的波导模将在探针上激励起电流。根据互易定理，当微带线上准TEM模向波导入射时产生的探针电流也将激励起同样的波导模。为与矩形波导中主模TE10模耦合最紧，探针应从波导宽边中心插入，置于TE10模电场最大位置处。探针附近被激励起的高次模存储无功功率的局部场，使接头具有电抗性质。短路活塞提供了一个可调电抗用于抵消探针电抗。确定微带探针所激励起的高次模的幅度和算出储藏在这些非传播模的纯电抗分量，就可以计算出探针的电抗。由于探针末端的电流必须为零，故对于细探针来说，假设其电流按正弦驻波分布是一种很好的近似。假定探针电

29、流为无限细线电流形式： ；（d为探针插入深度） （2-11）可求得由微带线的基座视入的输入阻抗： （2-12）式中P为辐射到波导中的功率，Wm-We是由高次模激励并存储在探针附近的无功功率。通过计算输入电阻，得到探针辐射电阻: （2-13）需要注意它的值随参数l(短路活塞位置)和d(探针长度)的改变而改变，通过调整Rin使其等于微带线的特性阻抗，并利用一个适当的电抗（即短路活塞引入的电抗）调谐jXin，使传输的功率达到最大值。在探针耦合设计中，探针的输入阻抗是探针宽度、长度、波导终端短路距离以及频率的函数，可选择一定的探针宽度、长度和波导终端短路距离，使其成为相对稳定的结构，这种结构将在较宽的

30、频率范围内，保持较小的插入损耗和反射，从而保证探针性能变化不明显。波导终端短路长度我们取/4，因为终端短路后，波导内形成驻波，波节间距离为/2，取/4的短路长度，可以保证探针在波导内处于最大电压，即电场最强的波腹位置，以达到尽量高的耦合效率。由于探针过渡具有容性电抗，因此我们串联了一段高感抗线，用来抵消其电容效应，这样可以减小插损，但频带的宽度相应的减小了，然后可以利用四分之一阻抗变换器实现与50欧标准微带线的阻抗匹配。转换部分的腔体通过一条狭缝与集成电路腔体连接起来，该狭缝的尺寸需选择适当，既要尽量将能量约束在微带上，以抑制其直接通过高次模耦合到转换腔体，又要有足够的高度，以免影响微带的场结

31、构。实际上还存在机械加工、装配公差和印制电路公差，其中印制公差和机械公差，在毫米波频段以上时都应给以足够的注意。但此结构的优点之一就是能保证在较大的机械公差下，性能不发生明显改变。所以本文就采用了波导同探针平面平行毫米波E面微带探针结构作为波导BJ320到微带线的转换方式。其结构如图2-4(a、b)所示。第3章 功率放大器的理论分析3.1功率放大器的特性参数毫米波功率放大电路与常规低频电路的设计方法完全不同，它需要考虑一些特殊因素。尤其是入射电压波与入射电流波必须和有源器件良好匹配，以便降低电压驻波比，避免寄生振荡。正因为如此，稳定性分析通常被视为功放设计的第一步。稳定性分析以及增益都是功放设

32、计所必须考虑的要素，依据这些要素才能设计出符合增益、增益平坦度、输出功率、带宽和偏置条件等苛刻要求的功率放大器。因此在设计功率放大器时，需要综合考虑很多特性，本节将对固态放大器的一些重要特性参数作简要描述。3.1.1功率放大器稳定性分析放大电路必须满足的首要条件之一就是在其工作频段内的稳定性，这一点对功放电路非常重要。如果功放电路在某些工作频率条件下产生振荡，将会使功放电路只有很少的能量输出，甚至无能量输出。因此，在设计功放电路时，必须首先考虑功率放大器在工作频段内是否稳定。对于有源的二端口网络，根据其稳定性能够分为二类：一类是无条件稳定或绝对稳定；另一类是有条件稳定或潜在不稳定。所谓绝对稳定

33、是指当信号源阻抗ZS和负载阻抗ZL为任何值时，放大器都能工作。其绝对稳定的条件： （3-1） （3-2） （3-3）其中D=,K为稳定判别系数，K大于1是稳定状态，只有上面三个条件都满足时，才能保证放大器是绝对稳定的。如果不能同时满足上面三个条件的情况称为潜在不稳定状态，但这时不一定出现自激振荡。只有当电源和负载阻抗处于某个范围时才会出现自激振荡。对于潜在不稳定的放大器，在设计电路时，要使输入和输出匹配电路呈现一定程度的失配，使工作点移出不稳定区，以保证放大器正常工作。3.1.2输出功率像噪声系数一样,最好的功率匹配并不能得到最好的增益匹配，考虑放大器的输出功率时必然会影响增益。通常高功率器件

34、的增益低于低功率器件的增益,而在宽带系统中要想得到较好的功率输出是很难实现宽带匹配的。1)饱和输出功率Psat当功率放大器的输入功率加大到某一值以后，再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。实际上这种说法并不严格，由于功率放大器的转移特性，放大器在饱和时很少显示出功率是个常数。在实际的功率放大器中，在某一频率处增加输入功率会使输出功率减小，而在工作频带中其他频率处，输出功率会慢慢增加。基于这点,通常用相对某一个输出功率处的饱和深度来表示，相应的输出功率称为一个饱和输出功率，典型的测量点是6dB压缩点。2)1dB压缩点输出功率P1dB功率放大器增益压缩1d

35、B所对应的输出功率称为1dB压缩点输出功率，记做P1dB。3.1.3功率增益图3-1 由放大器组成的二端口网络对一个由放大器组成的二端口网络而言（如图3-1所示），设负载阻抗为ZL，信源阻抗为ZS，特性阻抗ZO=50，放大器以S参量来表示，于是有信源阻抗ZS相对于特性阻抗ZO的反射系数为： （3-4）负载阻抗ZL相对于特性阻抗ZO的反射系数为： （3-5）1)实际功率增益放大器的实际功率增益Gp定义为传递到负载的功率与由源到网络的资用功率之比，也就是 （3-6）式中 （3-7） （3-8）可见放大器的实际功率增益Gp除了与有源器件有关以外，还与所接入的负载反射系数有关。因此，输出端良好的匹配设

36、计才能保证获得Gp最大。2)转换功率增益GT转换功率增益GT定义为负载所获得的功率与信号源输出的资用功率的比值。信号的资用功率就是信号源所输出的最大功率，也就是在满足共轭匹配时()网络的输入功率。于是有： （3-9）由（2-9）式可以看到转换功率增益不仅与器件有关，而且还与源和负载有关,因此研究源阻抗和负载对放大器的影响可以从转换功率增益GT入手。3)资用功率增益Ga资用功率增益Ga定义为负载吸收的资用功率PL与信号源输出的资用功率PO之比。它是在放大器的输入和输出端分别实现共轭匹配的特殊情况下，放大器产生的功率增益，也是在输出端共额匹配的情况下的转换功率增益。 （3-10）式中： （3-11

37、）3.1.4增益平坦度增益平坦度是一项普通技术指标，它表征功率放大器的增益在一定功率范围内的变化大小。如图32所示，用最大增益与最小增益之差G(dB)表示。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是不一样的，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50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的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。图32 增益平坦度曲线3.1.5功率效率和功率附加效率功率放大器的功率效益是指功率放大器的射频输出功率与提供给放大器的直流功率之比，表征着

38、功率放大器把直流功率转换成射频功率的能力大小。 （3-12）但这种定义未能反映出放大器的放大能力，为此给出另外一种效率的定义，即功率放大器的功率附加效率，它既能反映直流功率转化成射频功率的能力，又能反映出放大器的功率放大能力，用衡量功率放大器的功率效率是比较合理的。 （3-13）另外在采用若干MMIC单片实现功率合成输出时，还有一个反映合成效率高低的公式，其定义如下: （3-14）其中N为合成所用单片数量。3.2固态功率放大器的设计方案在过去的50年里，为了得到高功率的射频输出电平，几乎只有使用行波管放大器。但行波管放大器结构复杂，重量大，体积大，不利于系统的小型化，而且效率低，功耗大，还存在

39、着可靠性低等问题。近年来，固态器件技术的发展使得在毫米波频段可以用固态功率放大器来代替行波管放大器。固态功率放大器有可靠性高，交调性能好，维护费用低，体积小，重量轻，对人员更安全，功耗低，直流电压低等优点。3.2.1固态功率放大器的技术指标频率范围： 增 益： dB输出功率： 瓦（连续波工作状态）1 dB压缩点： dBm带内平坦度： 3.2.2电路形式的选择对于毫米波固态功率放大器，既有用混合集成实现的实例，也有用单片集成实现的实例。两者各有优缺点。微波混合集成电路是指把分布参数平面传输线，封装微波晶体管或者是无封装管芯，有独立功能的半导体芯片，片式或小型分离元件等组合设计成完整功能的电路。无

40、缘电路由分布参数平面传输线（如微带线）构成，有源器件通过焊接或金丝键合等工艺与之配合连接而成。其优点：（1）加工制作容易，成本低，便于生产，“光刻”。（2）高介电基片的运用，体积更小，重量更轻，利于系统微型化。（3）固态器件的采用，性能更优良、耗能更小、可靠性更高。（4）半开放式电路结构（如微带电路）可微调以达到最佳性能，便于维修。微波单片集成电路是无源电路，无源元件，有源半导体器件都制作在同意半导体基片上形成完整的电路或系统功能的微波集成电路。衬底材料有较高的电阻率，可以作为微波传输线；有较高的电子迁移率，可以作为微波器件。其优点：（1）性能稳定，避免了管壳封装等带来的寄生分布参数影响。工作

41、频带越宽，工作频率更高。（2）无源电路，无源元件，有源器件构成一体，消除了混合集成电路中的很多连接点，性能和可靠性均得到改善。（3）电路尺寸更小，重量更轻，更适宜空间应用。（4）一经设计成功，制作重复性和一致性好，便于大批量生产。比较微波混合集成电路与微波单片集成电路，可以看到它们各有优点，本文的毫米波固态功率放大器为了在性能上达到指标，并易于实现，所以本文采用混合集成和单片集成相结合的方法来实现电路结构。3.2.3系统框图的确定由于功率放大器的增益一般都不高，尤其是在毫米波波段更是如此。高功率放大器输出功率大，而增益又不高，因此对其输入功率就有相应的要求。为了达到高功率放大器需要的驱动功率，

42、输入信号通常需要进行驱动放大。驱动放大主要是给末级的高功率放大器提供足够的功率驱动，它的增益通常也不高。如果驱动放大器的输出功率过高，则还需要加衰减器以对末级的高功率放大器提供保护。本文的最终设计是采用一块驱动放大单片（AMMC5040）来推动高功率单片（TGA1141-EPU）。最终确定整个电路拓扑结构如图33所示：图3-3 放大器的电路拓扑结构放大器的指标分配和设计是整个系统的关键之处经考虑，各级放大器的指标如图3-4所示。图3-4 各级放大器指标图理论设计结果：当Pin=-6.5dBm时，放大器处于P-1dB点，输出功率P-1dB=30.5dBm；当Pin=3.5dBm时，放大器处于饱和

43、输出功率，Psat=32.5dBm。3.2.4介质基片的选择介质基片是微波电磁场的传输媒质，又是电路的支撑体。对于毫米波带线而言，仿真设计之前需要确定介质基片。对基片的要求是损耗小、表面光洁度高、硬度强、韧性好、价格低等。可用于毫米波频段的介质基片主要有：氧化铝陶瓷、RT/Duriod 5880、蓝宝石、石英等15，另外还有主要用于制作MMIC的GaAs基片等。在毫米波频段，电路损耗相对较大，选用低介电常数的介质基片有利于减少电路损耗。同时，为了抑制各种高次模式、波导模式，选择厚度小的介质基片。软基片RT/Duroid 5880虽然光洁度不及硬基片高，但能够满足8mm频段的工程应用，而且易于加

44、工。综合各方面因素的考虑，最终选用Duroid5880（）作为电路的介质基片。3.2.5单片的选择我们拟采用TRIQUINT公司生产的TGA1141-EPU16作为高功率放大单片。该单片是工作于33GHz36GHz频率范围的功率单片，主要用于雷达及点对点通信；在Vdd=6V电压下，输出的饱和功率可达33dBm；静态电流Iq=880mA，动态电流Id=1.3A，栅压典型值为Vg=-0.6V；该芯片在Vdd=7V的工作电压下，输出功率会略有提高。该单片输出功率与输入功率关系曲线如图3-5所示。图3-5 TGA1141-EPU输出功率VS输入功率考虑到本课题要求的输入功率指标为0dBm，而TGA1141-EPU的增益为17dB。所以在TGA1141-EPU前面的驱动放大单片应该具有至少17dBm的饱和输出功率和18dB左右的增益。因此驱动放大单片选用Agilent公司生产的AMMC5040单片17。它的工作频率范围为20GHz45GHz；增益为25dB。电源电压Vdd（4.55）V，其，静态电流Iq=300mA，栅压典型值为Vg=-0.5V。从指标可以看出当输入功率为0dBm时，AMMC5040可以具有大于18dBm的输出功率，满足的第一级驱动放大单片的要求。AMMC5040的性