（无线电物理专业论文）毫米波固态大功率合成放大器的研究.pdf

摘要 本论文是9 2 1 项目，要求在燃实现大功率输出功率巡， 具有1 w 的功率输出，同时有5 0 0 m h z 的带宽性能。该功率放大器将 应用在k a 频段雷达固态发射机上。 本文通过对k a 频段矩形波导到微带探针过渡结构形式的大量仿 真结果进行分析，总结出在k a 频段过渡结构中不同探针长度所带来的 短路活塞距探针长度的变化规律，并在实验中加以验证。该规律在k a 频段矩形波导到微带过渡的工程设计中能够起到较好的指导作用。 通过对金丝压焊互联结构不同形式的分析，确定在k a 频段大功率 输出放大器中采用三金丝结构，同时通过调整双金丝，三金丝的金丝 间距，总结出金丝压焊互联结构特性随间距变化的一般规律。 为了解决在k a 频段二等分功率分配合成器中隔离电阻带来的一 系列技术问题，应用共面波导和耦合共面波导，利用a n s o f i 电磁仿真 软件仿真设计了二等分功率分配，仿真的结果基本能够满足工程需要， 为采用新型传输线实现新的毫米波无源器件提供了参考。 实验结果表明，功率放大器的输出功率在3 4 g h z 3 5 5 g h z 频段有 大于1 w 的功率输出，已经能够很好的满足了技术指标的要求，能够 应用在固态雷达发射机上。 关键词：大功率，探针过渡，金丝压焊，功分，器 7 vv 竺土竺坚全= 竺竖兰 一 a b s t r a c t t h et h e s isi sap a r t0 f9 2 1p r o j e c t ，w h i c hr e q u i r eu s t o r e a liz ea h i g hp o w e ro u t p u ta m p l i f i e r a tk a b a n d t h e a m p lif ie f h a sa no u t p u tp o w e ro v e rl w a t ta n db a n d w i d t ho f 5 0 0 m l t z w i l lb el i s e do ns o l i ds t a t er a d a rt r a n s m i t t e r t h ea r t ic l ea n a l y s isq u a n t it i e s o fw a 、e g u i d e i n i c r o s t r i p t r a n s it i o i l sw h i c hh a v ed i f f e r e n tp r o b ele n g t ha n dt h e ns u m m a r iz e t h ef l u c t u a t i o r lr u l eo fd is t a n c eb e t w e e nt h es h o t tp is t o na n d p r o ba l o n gw i t ht h ev a t i a t i o no fm ic r o s t r i pp r o b t h isr u l e w h ic h h a sb e e nt e s t e di no l l re x p e r i m e n t s c e t l qb eu s e f u li nt h et e c h n i q u e d e s i g no fw a v e g u i d e m ic r o s t r i pt r a r l s it i o n sa tk ab a n d c o n s i d e r i n gt h ea n a l y s is r e s u l to fd i f f e r e n tk i n d so f b o n d w i r eir t c o r l r l e e t i o n s t h et h r e ew i l ei r l c o n n e c t i o n sh a s b e e n a p p l ie d ir lo h ra m p l i f i e f w h i c hh a s1 i t t l ei n f l u e n c et 0o u r o u t p u tp o w e r a tt h es a m et i m e 。ac o m m o r lr l i l eo fc h a r a c t is t i co f b o n d w i r ea l o n gw i t ht h ew i l es p a c ec h a n g m e n th a sb e e ns u m m a r i z e t or e s o v eas e t i e so ft e c h n iq u ep r o b l e n lc a u s e db yis o l a t i 0 1 3 r e s i te 1 r i c ei nd o w e rd i v i d e ra tk ab a n d ，w e l l s et h ec p w 、c c p w t r a n s m is s i o nl i n ea n d , a n s o f t s e r e n a d e8 7e n g i n e e r i n gs o f t w a r e t 0e m u l a t eap o w e rd iv id e l a tk ab a n d t h e0 1 2 1 a t i 0 r e s u l tc 0 1 3 1 d s a t i f yt h ee n g i n e e r i n gd e m a n d ，a n dp r o v i d eau s e f u lr e f e r e n c et o r e a l jz en e wm i l lj m e t e re l e m e n tv i an e t y i d et r a n s m is s i 0 1 31 i t i e t h ee x p e r i m e n t r e s u l t s h o wt h a t t h eo u t p u tp o w e ro ft h e a m p l i f ie rh a so v e rl w a t to u t p u tp o w e ra t3 4 g h z 一3 5 5 g h z w h i c h h a ss a t is f i e dt h er e q u i r e m e n to fu s i tc a r lb ea p p l i e do r ls o l i d s t a t er a d a rt l - a n s m i t t e r k e yw o r d ：h i g hi o o w e r ，p r o bt r a r ) s i t i o n ，b o n d w j r e ，p o w e rd iv i d e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。具我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：因亟日期册埤月馅日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解秘后应遵守此规定) 签名= 冈诸 导师签名： 日期：伽。r 年月 日 皇王型垫查堂堡主堡苎一 引言 在毫米波各种应用系统研究中，为了提高毫米波固态振荡器件的 输出功率电平，自七十年代中期国际上相继开展了旨在提高毫米波 固态功率源输出功率的研究。其中，出现最早和最常用的是毫米波 固态功率合成技术。而在八十年代又提出了毫米波空间功率合成技 术。毫米波固态功率合成技术通常又四种类型，即：半导体芯片串 联或并联功率合成技术；谐振或非谐振功率合成技术；空间功率合 成技术：以及利用以上技术的混合型功率合成技术。 在以上各种功率合成技术中，最常用的是谐振腔式功率合成技 术，其原型最先是在1 9 7 1 年由k u r o d a w a 和m a g a l h a e s 提出，过去 几十年的发展显示谐振腔式功率合成技术能够成功应用在2 2 0 g 窄 带场合。其最大的优点是由于采用了输出端器件的直接合成而合成 效率较高，其缺点主要是随着合成器件的增多、频率的升高，腔体 空间将变的越来越小，各种不连续边界所产生的模式将变的越来越 复杂，从而严重影响功率合成器的工作稳定性、合成效率以及输出 功率。非谐振式功率合成技术又分为n 路合成方式和c o r p o r a t e 合成 方式。非谐振腔式功率合成方式的主要优点是带宽比较宽，缺点是 工作频率比较低。 1 3 芯片级联功率合成方式的概念最早提出是由j o s e n h a n s 提出【2 】。 其最大的好处是耗费功率较小，但是随着频率的升高，芯片尺寸的 限制和芯片之间的相互影响瞑制了能够最大合成二极管数量。 空间功率合成是八十年代提出的一种毫米波功率合成方法，但他 被人们所重视并加以研究却是在八十年代后期和九十年代。空间功 率合成技术主要分为四类。即：由w l o t h a r 等人提出的准光功率 合成技术”1 ，由k c h a n g 、t t o n 等人提出的自由空间波功率合成 技术1 ，由a m i rm o r t a z a w i 等提出的采用开槽波导的空间功率合成 器p 】以及由a a l e x a n i a n 和r a y o r k 提出的波导内空间功率合成 技术【“。 国内外研究动态 由于课题所研究的功率合成系统要求有大于l w 的输出功率t 因此只对国内外大功率合成系统方面的文献进行了关注。 经多种手段文献检索，在国内未发现与本课题相关文献的报道。 国外最早是在1 9 7 1 年开始进行功率合成系统的研究的，在最近 几年空间功率合成系统又开始得到人们得关注。 文献【7 介绍了一种了x 波段矩形波导g , j 空间功率合成系统，其 输出功率为2 4 w ，在8 1 2 g h z 内，g 0 当z 0 当0 曼z ， 当：， ( 2 12 ) ( 2 13 ) ( 2 1 4 ) 在z = z 处，将( 2 1 0 ) 式两端在含有2 的很小间隔内对z 积分一次可得 一互a b 。 b 嬲c 舡批+ 础s 一弦+ 气删e x r ( - 删z i 蚓n 等c 。s 孚 ( 2 t 5 ) 连i f _ 求解( 2 9 ) ，( 2 1 4 ) ，( 2 1 5 ) 三个方程组，可以求得并矢格林函数 的四个待定系数： = 譬 式中 牡等 酬= = s 铲f ( o p c 。：兰唑墨r n 型墨必 p o = s h f ! o ) l只= s 心三 q = c 厅删z k = e x p ( - 删z ) s ：一垒s i n 型c o s m n y aa6 = 删删q + ) 2 异鼻+ ) 2 墨+ 删删昂9 1 9 ( 2 1 6 ) ( 2 17 ) = 卸 耐 鳖如 从而得到并矢格林函数的确定解a 2 23 输入阻抗的求解 假设宽度为的探针上的电流为 兀1 os 州i n k w , ( d - h y ) 占o ) ， 岫吲， “ 2 m m 时发现探针过渡的插损在系统要求的带宽内( f o g h z - + 0 ，5 g h z ) 已经接近l d b ，当d ：3 m m 时，插损已经超过1 d b ，并且 反射系数也较大，图2 5 ，2 - 6 为d = 2 m m ，3 m m 时探针过渡的s 参 数曲线。 uu - 2o - 4 0 e0 曰 80 1 00 - 20 1 4 0 、 、 、 、 、 、 25 - 30 q 35 4 0 4 5 50 、 2 00 2 e0 3 0 03 203 4 03 e 03 804 02 8o2 8 03 003 2 ，03 4 0 3 e 03 e0 4 00 f r e q u e n c y h z ) p r e q u e n e y 传h z ) 图2 - 5a ；1 2 m md ：2 m m 图2 - 6a = i 2 m md = 3 m m 而当d 在l m m d 1 5 m m 时，在系统要求的带宽范围( f o g h z 0 5 g h z ) 探针过渡的反射系数小于1 0 d b ，而表征插入损耗的s 2 l 曲线 非常靠近0 d b 的直线，也较为理想。图2 7 ，2 8 ，2 - 9 ，2 1 0 分别是 d = l f i l m ，1 1 m m ，1 2 m m ，1 5 m m 时的s 参数曲线。 从利用h f s s 仿真得出的曲线图2 5 2 1 0 可以得出一个初步的规 律：在探针长度a 一定时，短路活塞距离探针平面的距离d 在一定范 围内变动时，探针过渡具有较好的性能，无论小于或大于这个范围， 探针的性能均要恶化。对于a = 1 2 m m 的矩形波导到微带的探针过渡而 言，l m m d 1 5 m m 时，反射系数探针过渡的性能较为理想。当d 1 5 m m 时，探针过渡的性能呈恶化的趋势。 60 笔_ 1 0 ，0 5 0 50 1 00 兽_ 1 5d 2 0o 2 50 3 00 、， 歹 、 、 、 1l 、 ， f 2 602 e 0 3 003 2 03 4 03 e 03 80 4 00 f r e q u e n c y ( g h z ) 图2 - 7a = 1 2 r a md = 1 m m 、 、 、 、 t 、 2 e o2 eo ；3 0 o3 203 4 03 6 03 8 0 4 00 f r e q u e n c y ( g h z ) - 5 0 - 1 0 0 兽1 50 - 2 00 - 2 5 d 0 f r e q u e n c y g h z ) 图2 - 8a = i 2 r a md = i i m m j d 一 。 、 l 、 j l 3 003 5 04 。o f r e q u e n c y g h z ) 图2 - 9a = i 2 m md = 1 2 r a m 图2 10a = i 2 m md = i 5 m m 为了验证上述结论，我们又对d 1 m m 和1 5 m m d 2 m m 时的探针过渡 进行了仿真。仿真的结果初步显示：当d 1 5 m m 时在系统要求的频段内， 探针过渡的插入损耗都已经接近l d b ，与1 m m d 1 5 m m 范围内的过 渡插损特性相比，里恶化趋势。初步验证了前述结论的正确性。图2 1 1 ， 皇王型堇盔堂堡主笙塞 一一 2 1 2 ，2 13 ，2 - 1 4 分别为d = 0 6 r a m ，0 8 r a m ，1 6 m m ，1 8 m m 时的s 参 数曲线。 20 ，4 0 兽七o - 80 1 00 1 2 0 、 、 、 ， 、 、 、 气 ， 、 ， 2 6 02 8 o0 0 03 2o3 4 0 o3 日0 4 0 0 f r e q u e n c y ( o h z ) - 20 - q0 e0 80 兽1 00 1 2 0 1 60 伯0 - 2 00 - 4 0 鲁_ 8 o 1 00 1 2o 1 4 d 1 e0 1 ， k ， 一 ， ， ，、 ， 、 r 、 l l 、 、 ， i ， l r 、 。j 2 7 53 003 253 5 0 3 7 54 0 0 f r e q u e n c y ( g h z ) 图2 11a = 1 2 m md f f i 0 6 r a m图2 - 1 2a = 1 2 r a md = 0 8 m m 2 0 02 8 03 0 03 2 03 4 03 603 8 d4 0c f r e q u e n c y ( g h z ) u u - 2 d - 4 0 60 e o 1 00 1 2 0 1 4 0 一一 、 、 、i 、 、 2 0 02 8 0 3 0 03 2 03 4 03 600 8 04 00 f r e q u e n c y ( g h z ) 图2 13a = 1 2 m md = 1 6 m m 图2 - 14a = 1 2 m md 2 1 8 r a m 2 3 2 取探针长度a = 1 4 m m ，1 6 m m ，1 8 m m ，2 m m 时，调整短路活塞时 仿真结果 为了对前面初步总结出的规律进行验证，我们分别对探针长度 a = 1 4 m m ，1 6 m m ，1 8 r a m ，2 m m 的探针过渡进行了仿真工作。下面是利 用a g l i e n t h f s s 5 6 高频仿真软件对各种长度的探针过渡进行仿真的 结果。( 表中频率的单位均为g h z ，长度的单位为m m ，s 参数的单位为d b ) 1 各种长度探针电磁仿真结果 ( 1 ) a = 1 4 r a m 时仿真结果 表2 1 短路活塞距离 探针距离d 0 。8 m m 1 i l l m 1 5 m m v s w r ( s 11 ) f o o 5 g h z 内， 在3 2 3 7 g h z 内， 3 0 g h z 4 0 0 h z 1 0 s 1 l 8 5 d b - 16 5 s 1 1 - 12 d b内2 8 s 11 15 d b 插入损耗( s 2 1 ) f o o 5 ( 3 h z 内， 3 3 - 3 6 g h z 内， 3 0 g h z 4 0 g h s 2 i 一l d b s 2 l - 0 1 d b内，s 2 1 o d b 表2 2 短路活塞距离 2 m m 2 2 m m2 4 m m 探针距离d 3 3 4 2 g h z 内。f o 0 5 g h o 5 g h z v s w r ( s 1 1 ) - 3 0 s ll 1 2 d b 内s l l 。12 c i b 内s l l ，l l d b 3 3 4 2 g h z 内 厶0 5 g h z o 5 g h z 插入损耗( s 2 ” s 2 1 0 d b 内s 2 1 一1 d b 内，s 2 1 - 0 5 d b 表2 3 短路活塞距离 探针距离d 2 5 m m 2 7 m m3 m m f o 士o 5 g h 厶o 5 g h o 5 g h z v s w r ( s 1 1 ) 内。s 1 1 一9 r i b 内，s 1 1 9 d b 内。s 1 1 7 5 d b 兀土0 5 g h z 五o 5 g h z兀o 5 g h z 插入损耗( s 2 1 ) 内s 2 l 一一l d b 内、s 2 l 一i d b 内，s 2 1 一1 d b ( 2 ) a = 1 6 r a m 时仿真结果 表2 4 短路活塞距离 探针距离d 0 8 m m l m m 1 4 m m 五o 5 g h z氓o 5 g h z 2 8 38 g h z v s w r ( s 1 1 ) 内sj l ( 12 d b 内，s 1 1 7 5 d b 内s 1 l 9 5 d b 五土o 5 g h z 段3 3 3 6 g h z 内， 3 0 g h z 4 0 g h z 插入损耗( s 2 1 ) 内s 2 i 一一1 5 d b s 2 l 一0 5 d b 内s 2 1 - 0 1d b 2 6 皇王型堇丕堂塑主笙塞 表2 - 5 短路活塞距离 探针距离d 1 5 m m 1 7 m m2 m m 厶0 5 g h z 2 6 3 4 g h z 2 6 4 0 g h z 内 v s w r ( s 11 ) 内s 11 13 d b 16 5 s 11 一l2 d b 内s 1l 1 2 d b 插入损耗( s 2 1 、 3 0 g h z 4 0 g h z2 6 4 0 g h z 内 2 6 4 0 g h z 内s 2 1 4 0 1 d b0 3 s 2 1 一0 1 d b 内s 2 1 40 1 d b 表2 - 6 短路活塞距离 探针距离d 2 5 m m2 7 m m 3 m m 2 6 4 0 g h z厶士0 5 g h zf o o 5 g h z v s w r ( s 1i ) 内s i i 1 1 b 内s 1 1 4 1 0 d b 内s 1 1 4 9 5 d b 2 6 ，4 0 g h z 内兀0 5 g h zf o 士o 5 g h z 插入损耗( s 2 1 、 o 3 s 2 1 一0 1 d b 内s 2 1 4 0 5 d b 内s 2 1 4 1 d b ( 3 ) a = 1 8 r a m 时仿真结果 表2 7 短路活塞距离 探针距离d 0 8 m m1 m m1 5 m m 兀0 5 g h z o 5 g h zf o 0 5 g h z v s w r ( s 1 1 ) 内s 1 1 4 7 5 d b内s 1 1 4 6 5 d b内s 1 1 2 8 d b f o o 5 g h z o 5 g h z五o 5 g h z l 插入损耗( s 2 1 ) 内s 2 1 41 5 d b内s 2 i 一1 d b内s 2 1 4 1 d b 表2 - 8 短路活塞距离 探针距离d 1 7 m m2 m m2 2 m m f o o 5 g h z 2 6 ，4 0 g h z 内五o 5 g h z v s w r ( s 11 ) 内s l l 4 8 d b s 1 l 1 l d b 内s 1 1 1 2 d b f o o 5 g h z 2 6 4 0 g h z 五o 5 g h z 插入损耗( s 2 1 、 内s 2 1 4 0 1 d b 内s 2 1 4 0 2 d b 内s 2 1 4 0 7 d b 表2 - 9 短路活塞距离 探针距离d 2 5 m m2 8 m m 3 m m 2 6 4 0 g h z ，0 o 5 g h z兀o 5 g h z v s w r ( s 1 1 ) 内s 1 1 ，1 1 b 内s 1 1 4 9 d b内s 1 1 2 9 5 d b 2 6 4 0 g h z 内f o o 5 g h z五0 5 g h z 插入损耗( s 2 1 、 o 3 6 d b内sj 1 7 5 d b 兀o 5 g h z o 5 g h z厶士o 5 g h z 插入损耗( s 2 n 内s 2 1 一2 d b内s 2 1 - 1 5 d b 内s 2 l 一l ：2 r i b 表2 11 短路活塞距离 探针距离d 2 m m2 5 m m 2 8 m m 0 5 g h z 内，厶0 5 g h z 内， 兀0 5 g h z 内， v s w r ( s 11 ) s 1 1 - 8 5 d b 9 5 s l l + 8 d bs 1 1 一1 0 d b 0 5 g h z 内，0 0 5 g h z 内 兀o 5 0 h z 内， 插入损耗( s 2 1 ) s 2 i 一0 7 d bs 2 l 一0 4 d b s 2 1 04 d b 表2 12 短路活塞距离 探针距离d 3 m m 3 i m m 3 3 m m 工o 5 g h z 内 五o 5 g h z 内 矗o 5 g h z 内 v s w r ( s 1 1 ) s 1 1 4 10 d b s l l4 10 d bs 1 1 一一1 0 d b 插入损耗( s 2 1 ) 石士o 5 g h z o 5 g h z 内 o 5 g h z 内s 2 1 4 。0 4 d bs 2 12 0 4 d b 内s 2 1 4 0 4 d b 2 对仿真结果的分析 电子科技大学硕士论文 通过对前面表格数据的观察发现如下规律：对探针长度为a = i 4 m m 的过渡，当短路活塞距离探针长度d 在i m m d 2 m m 之间取值时，探针 过渡的特性较好；当a = i 6 m m 时，1 5 m m d 2 5 m m 时，过渡性能较好： a = 1 8 m m 时，2 m m d 2 5 m m 时，探针过渡随着d 的增加呈优化趋势。想象，当d 增加到一定程度后， 探针过渡的性能必然呈现恶化的趋势。而验证了上面所总结出的规律： 在探针长度a 一定时，短路活塞距离探针平面的距离d 在一定范围内 变动时，探针过渡具有较好的性能，无论小于或大于这个范围，探针 的性能均要恶化。 2 3 3 结论 根据我们上面得到的结果，我们可以通过调节短路活塞的长度来 修正由于基片加工等带来的微带探针长度的误差，其规律如下： 表2 一1 3 l 探针长度 1 2 m m1 4 m m1 6 m m1 8 m m2 m m l 短路活塞 i 距离探针 l 1 5 m ml 2 m m1 5 2 5 m m2 2 5 m m2 5 3 m m l 距离 同时观察表2 - i 3 中探针长度与短路活塞距离探针距离的变化情况，可 以总结出下面的规律：随着探针长度的增长，短路活塞距离探针的长 度呈增大的趋势。 第三章金丝互联结构对电路整体性能的影响 在微波集成电路与微波混合集成电路的制作过程中，固态器件与有 源电路元件的相连，以及多芯片组件互联中，采用最多的是金丝压焊 互联结构。当频段上升到毫米波频段后，金丝互联结构由于其不连续 性对整个毫米波集成电路的影响不容忽视。为了解决这个问题，其他 几种替代的互联技术，如电磁耦合互联等被人们提出并研究。然而， 由于金丝压焊互联结构一方面是不易变形和脱落，另一方面可以适应 芯片工作时由于温度变化而带来的热胀冷缩的影响，目前仍然是毫米 波集成电路中应用最广泛的互联结构。在工程中实际应用最多的有单 金丝金丝，双金丝压焊互联结构。对金丝压焊结构的分析可以采用 f d t d 法进行全波分析 2 2 1 ，但这往往需要耗费大量的计算时间，并且 其计算结果对实际工作的指导作用并不大，同时工程上往往也不需要 如此繁杂的计算，因此我们对金丝互联结构进行合理的近似，建立起 各自的准静态模型【2 3 】【2 ”。并运用h f s s 高频电磁仿真软件对单金丝， 双金丝，三金丝结构进行了电磁仿真，考虑了金丝压焊结构对我们毫 米波雷达固态功率放大器整体性能的影响。 3 1 金丝互联结构特性分析 3 1 1 单金丝互联结构准静态模型 3 1 1 1 单金丝互联结构的等效几何模型 单金丝互联结构是最为简单的互联形式，其数学上的模型可以 用图3 1 来近似代替，在图中我们假设金丝的形状为一段圆弧。为 了使问题具有一般性，我们设两端为不同的微带线，既具有不同的 介电常数和厚度的基片。基片之间的间距为g ，基片的厚度分别为 h t ，h z ，金丝最顶端距离接地板的距离为h 。，两端微带线的宽度分 别为w - ，w z ；分别设两种介质基片的介电常数为e ，。等效圆 弧上任意一点离金属接地板的距离设为h ( x ) ，金丝两个焊点之间的 距离设为d “，从而建立起单金丝互联结构的近似几何模型。需要说 3 0 皇王型垫盔堂堡兰堡苎一 明的是：该等效几何模型为最一般的情况，当g = o 时，既表示两根 微带线无间距的情况。 图3 - l 单金丝压焊互联结构等效几何模型 从图中可以看出，金丝两个焊点之间的距离d b 为 d = p l + d l + g + d 2 + p 2 ( 3 1 ) 圆弧上任意一点距离接地板的距离h ( x ) 可以表示为： 矗( x ) 诅+ 拉气二了 ( 3 2 ) 式中的t 与_ ，儿分别为圆弧的半径与圆心点的坐标，可以由下表确定 表3 1 单金丝等效几何模型参数表中= b 2 4 a c 。：1 一垒盘 b = - 2 以 c = 圻十伪。一h 2 x 玩一h 2 ) h h h i f 立口：o 轳 - 拳：。 胪等等 r = 一y 。 【2 口” 3 11 2 单金丝互联结构准静态模型的建立 对于图3 1 中所示的单金丝互联结构，我们将其分为如图所示的 a b ，b c ，c d ，d e ，e f ，f g 五个部分。除了a b ，f g 部分要考虑焊点和微 带线金属条带的影响，其余四个部分b c ，c d ，d e ，e f 可以将其近似等 效为均匀微带传输线，每段传输线的电长度与特性阻抗可以通过各个 部分中点处的等效介电常数8 。，( x ) 和阻抗z 。( z ) 来近似确定。表3 2 是b c ， c d ，d e ，e f 四个部分的参数。x 为各个部分的中点横坐标。 表3 2 部分均匀传输线参数其中属= 厮 x ， z 目 b c”晏 z ? b p l 鼠吐k ，k 硪 兰些空1 c d z o ( x ，)风k p - d i ) 2 x 。+ p j + d i + g d e 乏g ，)厩0 。+ 一+ g x c )2 e f p d t + g + d z 2z 。g ，) p o d ：k 。0 ，唯 对于图中所示的单金丝结构，为了求出四段均匀传输线的特性阻抗， 我们根据公式 乙2 寿2 丽1 ， 、，占t 圹v o c o 、占彬 首先要确定每段传输线的等效介电常数占。，根据参考文献【2 3 1 中关于 对单金丝互联结构的准静态分析方法。我们采用保角变换法对b c ，c d ， d e ，e f 四段等效均匀传输线进行分析，以确定( 3 3 ) 式中的等效介 电常数。 图3 2 所示为其中一段金丝的横截面图。考虑到该结构的对称性， 只需考虑图3 2 中所示的一半结构即可。采用保角变换法将该段金丝等 效为填充分布不均匀介质的平板电容，求出该电容c ，根据等效介电常 数的定义 皇王型垫奎堂堡主笙苎 c 咿1 i 确定该段等效微带传输线的等效介电常数5 搿。 ( b ) u 图3 - 2( a ) 单金丝横截面对称示意图 ( b ) 保角变换后所得平板电容示意图 ( 3 4 ) 每一段金丝可以将其看作在覆盖介质基片的接地金属板上有一段圆柱 形的金丝的结构形式，考虑到结构的对称性，在对称面y = 0 处放置磁 壁并不影响场的分布，因此只需分析一半对称结构即可。通过保角变 换 盯+ j r = l n ( z 兰a a _ cs 。， 将图3 2 ( a ) 中所示结构变换成为( b ) 中所示的w 平面上的平板电容结构。 其中口= 厢 ( 3 5 ) 一 基 在w 平面上平板电容的宽度为万，两平板之间的距离为 砜s n 一c n b 式中h 为金丝到接地板的距离，r 。为金丝的半径 ( 3 6 ) 当平板电容之间完全填充空气时，此时的电容 c o = c o 瓦2 n - ( 3 7 ) 该电容对应图3 1 中的c d ，d e 段。即在接地金属板上有一段金丝的 结构。此时的等效：o r - 电常数e 耐= 1 。函数“= ，o ) 代表了介质基片层( x = n 处1 对应w 平面上的介质层，其形式为： 其中 ，( v ) = t a n h “ 2 p 而万代表两个不同的分支 6 = p = h 。 ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 忽略由于填充介质不均匀所带来场的扭曲，通过积分得到下列表达式 一铷一扑班。小 ( 3 1 1 ) 该电容对应图3 - 1 中的b c ，e f 段，即在覆盖介质基片的接地金属板上 习卅 卜专 嵯1 “ _ 电子科技大学硕士论文 有一段金丝的结构形式。从而得到b c ，e f 段的等效均匀传输线的等 效介电常数 旷针墨u o 删t , j j 叫2 限，。， z ：堡髦! o j 2 8 0 8 孵 其中u o 参见3 6 式， 而 k o = ( 3 1 4 ) 式中，h 。为介质基片的厚度，叩。= 1 2 0 u 为真空中的波阻抗。至此，各 段等效均匀传输线的等效介电常数可以确定：c d ，d e 段的8 彬= 1 ；而 b e ，e f 段的可以通过式( 3 - 1 3 ) 来确定。因此表3 - 2 中的各段均匀传 输线的参数可以用h ，以和6 r 在中点x 。处的值来确定。 用丁脚j 一1r p 刖a b ，f 【j 部分， 络来等效，其参数为 c 广厍百p , 瓦1 ，= i | 怖r - - - i p i 乙， c = c 。i + c f t 2 州咆，+ 参加j 等+ 其中 。 f c p 2 ) 一h i 。2 概一屁2 ) 一吃 既金丝的焊点部分，可以用t 型网 ( 3 15 ) f = l i = 2 ( 3 l6 ) ，；lil 在上式中，p ，为第f 个焊点的长度，而z “和o e r , i 为第f 节微带线的特性阻 抗和等效介电常数。c ，为微带线开路端的边缘电容。 通过以上的分析可以建立起单金丝互联结构的准静态模型，如图 3 3 所示 l s ll w l 10 i o o i o d e0 e r il w 2k i - i abcdefg 图3 - 3 单金丝互联结构准静态模型 3 1 2 双金丝压焊互联结构等效模型 图3 5 所示的双金丝互联结构可以通过对前面单金丝互联结构模型 的参数进行调整得到。在前面我们是通过保角变换将单金丝结构转化 成为w 平面上的平板电容，使问题得到简化。而对于两根金丝的情况， 我们很难利用保角变换将其转化为平板电容，因此我们通过进一步的 近似，对金丝的b c ，e f 部分不考虑微带线介质基片的影响，从而得 到 乙= z 吣m ) = 杀j o g 。2 h 避l ， ( ，1 7 ) 式中s 为金丝问距，其余各参数与前面单金丝结构参数相同。金丝互联 结构等效传输线的不均匀性可以把( 3 2 ) 式带a ( 3 1 7 ) 来等效。从而 乏= z 仍g l 以，r )( 3 18 ) 其等效电路同图3 3 ，其中要将式( 3 15 ) 中的。替换为 皇兰型垫莶堂堡主笙奎一一 三。= 。，+ ；p ，n 孥 图3 - 4 双金丝压焊互联结构等效几何模型 ( 3 1 9 ) 前面单金丝与双金丝互联结构的等效准静态模型，可以应用在商 业软件中作为单金丝互联结构的等效电路模型。但在实际工程中，无 论是金丝各段的长度还是焊点部分的长度，部很难定量的描述，这样 就给此准静态模型的应用带来团难，尽管可以利用该模型计算金丝互 联结构几何参数变化对其性能的影响，但这样就显得较为复杂。工程 中往往是只需要进行近似的估算，发现金丝互联结构随其几何参数变 化的大体规律。以便能更简明的掌握金丝互联结构对器件性能的影响， 因此该等效的准静态模型对工程应用中的实际指导意义不大。 3 2 金丝压焊互联结构对k a 频段功率放大器整体性能的影响 前面已经对单金丝双金丝互联结构建立了等效准静态模型，该准 静态模型可以用于商业软件中金丝压焊互联的结构的等效电磁模型 中。但在实际工程中，无论是单金丝还是双金丝其各个部分的具体尺 寸实际很难确定，只能进行近似的估算。为此我们采用a g l i e n t - h f s s 高频仿真软件对单金丝双金丝，以及三金丝互联结构的特性进行分析， 对比各种互联结构的电磁仿真结果，确定在k a 频段雷达固态功率放大 器中最适合采用哪种互联结构。同时通过对双金丝与三金丝结构在不 同金丝间距时的s 参数曲线结果进行分析，总结出双金丝互联结构特 性随金丝间距的变化规律。 在利用h f s s 5 6 高频结构仿真软件对这几种结构进行分析时，将有 一定弧度的金丝用一段长度为l m m 半径为0 0 12 m m 的细长金属圆柱型 来近似代替，两段微带线均采用5 0 f 2 的带线，其间距为0 3 m m ，其结 构如图3 5 所示。 圈3 5 对金丝互联结构进行电磁仿真时结构示意图 对比三种金丝互联结构仿真结果发现：三种金丝互联结构的反射系数 s 。在2 6 g h z 一4 0 g h z 频段内均呈低通特性。单金丝结构在三者中插入损 耗性能最差，表征插入损耗的s ：，最大可以大于1d b ，最小也有0 5 d b 。 而三金丝结构的插入损耗特性要优于双金丝结构，但性能优化的程度 不如双金丝到单金丝结构优化的程度明显。图3 6 ，3 7 为分别为单金 丝互联结构的s s ：。参数曲线。图3 8 ，图3 - 9 为双金丝互联结构的 s ，s ：参数曲线。图3 1 0 ，3 一l l 为三金丝互联结构的s ，s 。，参数曲 线。 皇三型垫盔兰堡主丝塞一 - 65 - 70 76 鲁- b o 85 0 0 05 1 00 口 ， r 一r ， 2 e 02 bo3 003 2 03 4 03 603 80 4 00 f r e q u e n e y ( g h z ) 图3 - 6 单金丝互联结构s 随频率变化曲线 ， ， ， ， ， 2 eo2 8o 3 0 ，o3 2 0 3 4 03 eo3 8o4 0 0 f r e q u e n e y ( g h z ) 图3 - 8 双金丝互联结构s 随频率变化曲线 u 口 06 - 07 - 08 日 00 10 - 1 12 q 、 、 、 、 。| 、 、 、 2 e02 e 03 0 03 2 03 4 0 3 60 3 8o4 00 f r e q u e n c y g h z ) 图3 7 单金丝互联结构s 2 随频率变化曲线 、 、 、 、 、 、 2 602 803 003 2o3 4 0 3 8 03 8o 4 0o f r e q u e n e y g h z ) 图3 9 双金丝互联结构s2 随频率变化曲线 嘣 嘶 懈 洲 佃 似 柚 孙 弘 1 3u 1 3 5 4 0 1 4 5 1 5 0 1 55 1 6 0 1 e 5 ， ， ， l ， ， 2 6 02 80 3 003 2 03 4 0 03 e0 4 0c f r e q u e n c y 似h z ) 图3 1 0 三金丝互联结构s t ，随 频率变化曲线 p r e q u e n e y ( o h z ) 图3 1 i 三金丝互联结构s 2 l 随 频率变化曲线 另外在对双金丝互联结构进行仿真时，发现两根金丝间距不同时，双 金丝互联结构的特性有所改变，通过多次的仿真得出的结果发现如下 规律：随着金丝间距的增大，双金丝互联结构的插入损耗与反射系数 均呈减小的趋势。其原因一般为金丝间距的适当增大使两根金丝之间 的互感减小，使金丝互联结构的性能得到优化。而三金丝结构中两侧 金丝与中间金丝的距离的改变也对互联结构的特性有所影响，其规律 为：随着两侧金丝与中间金丝距离的增大，三金丝互联结构的插入损 耗与反射系数呈减小的趋势。 在我们加工功率放大器电路时，考虑了以上分析的结果，采用了 三金丝的互联结构，实验结果取得了预期的效果。 皇王型垫丕堂婴兰堡苎 第四章k a 频段雷达固态功率放大器的实现与测试 4 1k a 频段雷达固态功率放大器的实现 在k a 频段雷达固态功率放大器的研制过程中，考虑到系统的大功 率输出及宽带的技术指标，采用了国外某公司的功放芯片，直到2 0 0 1 年的七月份芯片才买到。考虑到芯片的价格和难以购买的实际情况， 不能贸然进行功率合成系统的研制。鉴于放大器中的功放芯片具有2 w 的功率输出，并且具有良好的带宽性能，实现我们要求的技术指标理 论上应该不存在问题。同时也由于时间紧迫的关系，目前加工制作了 一个单路的功放级连放大组件，目前该功率放大组件已经应用在北京 航天部2 5 所9 2 1 项目中，取得了良好的效果。从2 0 0 0 年7 月进入课 题开始到2 0 0 1 年7 月芯片的到位期间的主要工作包括对功率分配器的 仿真设计，对矩形波导到微带的探针过渡进行仿真设计，对金丝压焊 互联结构进行理论分析，考虑了金丝互联结构可能对功率放大组件整 体性能的影响，考虑了在大功率输出情况下，系统中可能出现的问题， 并提出相应的解决方案，如图4 1 为单路级连放大组件的电路版图 图4 1k a 频段雷达同态功率放大器电路版图 图4 2 为k a 频段雷达