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硕士论文毫米波宽带功率放大器的设计 摘要 毫米波以其独特的优点在电子系统中能得到广泛的应用，并能产生特殊的效能。但 是，目前毫米波功率资源仍是制约毫米波技术在应用系统中的关键性瓶颈问题，尤其是 宽频带功率放大器更是现代通信系统中的一种重要的放大器类型。基于此，开发频带宽、 可靠性高的毫米波固态功率源技术成为当今毫米波领域研究重点和主要发展方向。 本论文研究了一种毫米波( 1 8 - 3 6 g h z ) 段的倍频程固态功率放大器。其中的关键 设计部分一宽带功分功合网络，是利用3 个尺寸相同的4 指l a n g e 耦合器来实现的。其 背对背结构的插入损耗为0 4 d b ，输入输出的驻波比为1 2 。然后，又将l a n g e 耦合器中 的金丝互联对整个功分功合器的影响在a n s o f th f s s 中做了分析。同时，为了在电路实 际焊接制作时节省工作量，对微带线与芯片之间的金丝互连结构进行了接近实际的模拟 分析，采用四片t r i q u i n t 公司的t g a 4 0 4 0 作为基本放大单元，仿真实现了毫米波宽带 功率合成放大器。在论文的最后，做了实物加工的前序整理工作，考虑了芯片加电的外 围电路设计以及加工版图。 关键词：l a n g e ，宽带，金丝键合，功率合成，毫米波固态功率放大器 a b s t r a c t m i l l i m e t e r - w a v e ( m m w ) i sw i d e l yu s e di nm i l i t a r ya n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sf o ri t s o u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s m i l l i m e t e r - w a v ep o w e rs o u r c ep l a y sak e yr o l ei nm i l l i m e t e r - w a v e s y s t e m s i ti sm o s ti m p o r t a n tt od e v e l o pm i l l i m e t e r - w a v es o l i d s t a t ep o w e rs o u r c e so f w i d e b a n d ，a n dh i g hr e l i a b i l i t y a18 3 6 g h zw i d e b a n ds o l i ds t a t ep o w e ra m p l i f i e r , u s i n gap o w e rc o m b i n e rw h i c hi s t h em o s ti m p o r t a n to ft h ep o w e ra m p l i f i e rw i t ht h r e em i e r o s t r i pl i n el a n g ec o u p l e ri s d e s i g n e d t h i so p t i m i z e df o u r - w a yc o m b i n i n gs t r u c t u r es h o w e dav e r yl o wb a c k - t o - b a c k i n s e r t i o nl o s so f0 4 d ba n dt h ev s w ri sb e l o w1 2o v e rm u l t i p l ef r e q u e n c y t h eg o l d - w i r e s c o n n e c t i o nb e t w e e nm i c r o s t r i pa n dm m i c sw e r es i m u l a t e di no r d e rt os a v et h et i m ew h e n b o n d i n gp r a c t i c a l l y t h e nas a t i s f i e dp e r f o r m a n c eo fm u l t i p l ef r e q u e n c ys o l i d - s t a t ep o w e r a m p l i f i e rw a sr e a l i z e db ym e a n so f a d s k e y w o r d ：l a n g e ，b r o a d b a n d ，g o l d e nw i r eb o n d ，p o w e rc o m b i n e r , m i l l i m e t e r - w a v es o l i d s t a t ep o w e r a m p l i f i e r 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，不包含其它人已经发表或 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：垄裁透沙年钥妒 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部分或全部内容，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部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 硕士论文毫米波宽带功率放大器的设计 1 绪论 1 1 宽带功率放大器研究的意义 微波固态功率放大器在雷达和电子对抗等领域有着广泛的应用，随着雷达技术发 展，对固态放大器提出了更高的输出功率和更大带宽的要求。宽带放大器是现代通信系 统中的一种重要的放大器类型。宽带通信技术的不断发展，使其对宽带放大器的频率等 的要求也越来越高【1 1 。 无线电发送设备中，为了保证足够远的传输距离，待传输信号须经过一系列功率放 大直至获得足够大的功率再送至发射天线。单个电真空器件能够提供更大的输出功率， 但其工艺加工难，工作电压高，器件尺寸和重量大，限制了其在发射系统中的应用。固 态功率器件具有体积小、重量轻、可靠性高、使用电压低、维护方便、温度适应性较好 等优点。 1 2 功率放大器主要厂家及产品概况 全世界生产射频宽带功率放大器的厂家主要集中在美国，少量在英国。产品种类相 对齐全的厂家主要有a r 、a r k a l m u s 、h dc o m m u n i c a t i o r 、l c f 、o p h i r 、p s t 、 m i c r o w a v ep o w e r 、m i l m e g a 、t m d 等公司【z 】【引。 a r 公司从1 9 6 9 年开始设计功率放大器，在1 0 0 0 m h z 频段以下频段和功率等级齐 全，输出功率从l 1 0 0 0 0 w 。其中s 系列频率从0 8 - - , , 4 2 g h z ，输出功率l 2 0 0 w ，t 系列频率从0 8 4 0 g h z ，输出功率1 5 - - 一2 0 0 0 w 。1 g h z 以上频率产品价格昂贵。其产品 结构结实，显得略为笨重，由于功放未实现模块化，因而不能提供单独的功率模块供用 户选择，其产品比较适合于实验室和电磁兼容测试使用。a r k a l m u s 原名k a l m u s ， 2 0 0 1 年与a r 公司合作，改称a r a e 队l m u s ，有近3 0 年设计和生产功率放大器历史【4 】【5 1 。 其产品提供详细的电路图，在10 0 0 m h z 频段以下频段和功率等级齐全，输出功率从2 4 0 0 0 w ，并实现了模块化，目前该公司正致力于开发i 一8 g h z 的功率放大器。o p h i r 公司成立于1 9 9 2 年，其产品在0 1 5m h z , 、, 8 g h z 频段功率等级齐全，输出功率从0 6 1 0 0 0 w ，并实现模块化。p s t 公司成立于1 9 8 9 年，整体设计合理，通风散热设计合理， 输出功率以l d b 压缩点功率为准，整体技术指标好，在1 5 3 0 0 0 m h z 频段功率等级 齐全，输出功率从1 0 - 1 0 0 0 w ，并实现了模块化。m i c r o w a v ep o w e r 公司产品频率 范围为i 一 2 1 g h z ，功率从0 1 5 0 0 w 。m i l m e g a 公司是一家英国公司，产品频率范 围为0 5 一8 g h z ，功率从4 1 1 0 0 w 。h d 公司产品频率范围为o 1 , - - 一4 2 0 0 m h z ，功率从 5 , - 。2 0 0 w 。l c f 公司产品频率范围i 1 2 0 0 m h z ，功率从5 2 0 0 w ，突出优点是输出 1 绪论硕士论文 效率高，最高可达5 5 。大部分厂家的产品普遍频率不是很高，没有达到毫米波频段。 近十多年来，由于微波频谱已经非常拥挤的现实，以及红外和光系统的局限性，特 别是它们在穿透烟尘、云雾等恶劣环境和夜间工作的局限性，毫米波、亚毫米波频段的 开辟已成为电子技术发展的主要内容之一。目前，在毫米波段的宽带m m i c 产品主要有 h i t t i t e 公司的h m c 2 8 3 、h m c 6 3 5 ，t r i q u i n t 公司的t g a 4 0 3 1 、4 0 3 6 、4 0 4 0 ，以及u m s 公司和t l c 公司的部分产品。虽然大功率固态器件的工作频率及所能达到的功率越来 越高，但限于半导体物理的特性，单个固态器件的输出功率仍是有限的。采用功率合成 技术将多路固态器件输出功率进行同相叠加，是获得更高输出功率的有效途径之一。 1 3 各种功率合成技术综述 毫米波功率合成技术自2 0 世纪6 0 年代以来受到国际上的广泛关注，发展至今，大 致可分为4 类：利用半导体芯片串联或并联的芯片级合成、利用外谐振或非谐振电路的 电路合成、利用准光腔或自由空间波的空间合成，以及应用以上合成技术的混合合成。 实际应用中，根据工作频率、合成单元数等要求选择不同的合成技术及其组合方案。具 体分类如图1 3 1 所示【6 1 ： 图1 3 1 毫米波功率合成的分类 1 3 1 管芯型功率合成 管芯型功率合成是在同二个固态器件内，通过在某- , b 于波长的区域内聚合多个独 立的器件( 有源芯片) ，通过输入输出匹配网络连接起来，得到更大的输出功率。随着工 2 硕士论文毫米波宽带功率放大器的设计 作频率的升高，工作波长减小，可供功率合成的区域面积缩小，偏置和匹配电路的制作 越来越困难，增加合成芯片的数目也受到限制，而且芯片间距的减小将使得散热问题更 加突出。采用芯片级合成的方式提高输出功率是有限的，而且对设计和工艺水平有较高 的要求。j gj o s e n h a n s 曾把3 个i m p a t r 二极管管芯安装在同一块金刚石上，在1 3 g h z 得到了4 5 w 的输出功率，实现了芯片级功率合成。1 9 9 9 年，i ( o h j im a t s u n a g a ，i k u om i u r a 和n a o t a k a1 w a t a 提出了m m i c 多芯片合成技术，通过4 个独立的m m i c 设计制作 了l 白频段的功放芯片，在2 6 5 - 2 8 5 g h z 连续波工作最高输出功率3 w 7 1 。 管芯型功率合成具有电路性能稳定、频带宽、效率高、体积小等优点，但是，由于 管芯合成的特殊性，需在同一基板上将多个管芯直接并联或串联，若合成数量增多，势 必引起阻抗匹配的难度，而且基板绝大部分面积用于无源匹配与合成传输线的制作，传 输线损耗相对较高，合成效率将会受到影响；并且随着频率的升高，各管芯之间的距离 相对于工作波长而言，已不能忽略了，合成管芯数量增大，信号到达每个管芯时，将不 再认为具有相同的电磁场环境，也会降低合成效率。对于功率器件而言，散热是首要考 虑的问题，由于各管芯间距离很小，工作时相互热作用是不可避免的，每个管芯实际散 热面积很小，若合成管芯数目过多，加大了器件的散热难度，在毫米波频段中，尤是如 此。总之，即使工艺水平如何发展，仅靠管芯合成来提高功率输出的能力是十分有限的。 1 3 2 电路型功率合成 电路合成技术是通过功率合成器把两个或多个功率放大器件组合在一起，给出较大 的输出功率。它的优点是各功率合成单元之间的相互影响较小，调整方便，匹配性能良 好。电路合成不受合成单元必须放在小于波长区域内的限制，根据采用电路形式的不同， 可分为谐振式功率合成和非谐振式功率合成。电路合成可以一步就把n 路信号合成为一 路输出，称为n 口合成器；也可以通过几步才将n 路信号合成为一路输出。 1 谐振式功率合成 谐振型功率合成是将多个单元固态器件的输出功率通过场耦合的方式耦合到合成 腔体内实现同相叠加，从而提高整个电路的功率输出。按谐振腔体结构特点又可分为两 种主要方式：直角波导腔体谐振合成和柱形腔体谐振合成。 这种合成方式在二极管器件上的应用，特别是振荡合成，已经十分成熟，主要是用 于毫米波高端。其优点是由于器件功率直接耦合到谐振腔体内合成输出，路径损耗小， 合成效率高。主要缺点是：合成电路q 值高，工作频带窄( 小于百分之几) ，而且，可 用于合成的器件数目受腔体模式限制，后者是因为随着合成器件的增多，频率的升高， 腔体空间会越来越小，各种不连续边界所产生的模式将变得越来越复杂，从而严重影响 合成器工作的稳定性、合成效率以及输出功率。 2 非谐振式功率合成 3 i 绪论 硕士论文 此种合成方式是将多个功率单元通过功率分配合成网络连接起来，获得更大的输 出功率。其特点是：工作带宽由功率分配合成网络决定，一般来说，都大于谐振式合 成；功率分配合成网络为各合成单元间提供了一定的隔离，从而基本上消除了由单元 间的相互作用引起的不稳定性；合成效率主要是由各合成单元输出信号之间的相位、幅 度以及合成电路本身的损耗决定。 非谐振型功率合成技术是上世纪六十年代发展起来的一项微波毫米波功率合成方 法。它利用一些多端口无源器件，如定向耦合器、双t 、魔t 等组成的分配合成网络进 行功率合成。应用最广泛的非谐振型合成技术是e j w i l k i n s o n 在1 9 6 0 年提出的 w i l k i n s o n 合成电路【引。w i l k i n s o n 合成电路可以实现n 路功率平均分配，每个输出端口 宽频带且等相位，任意两个输出端口的隔离高。其缺点在于当合成路数n 2 ，合成电路 为非平面的。随后许多学者相继展开了这方面的研究，提出了许多改进方法，使该合成 技术更适应于平面化电路并具有宽带性能。 其它常用的非谐振型电路功率合成方法有【9 】： 1 ) 支线耦合器，其输出端1 2 有9 0 度相移，常以微带结构实现； 2 ) 混合环结构，输出端口间信号可以同相，也可以反相，由输入端1 2 确定，端口 隔离度及带宽性能优于支线耦合器，常以微带或波导传输线实现； 3 ) l a n g e 耦合器，是一种宽带且更适用于m m i c 的合成技术，一个6 指l a n g e 耦 合器在5 - - - 2 0 g h z 带宽内，端口间隔离度优于1 5 d b ，端口回波损耗小于1 0 d b ，合成 器尺寸仅为1 0 m m x6 3 m m 。 除此之外，还有其它多口非谐振合成方法。有一种被证明成功的合成方法是由 r u c k e r 提出的五口合成器，能在7 g h z 和9 g h z 频率分别得到4 w 和3 w 以上的连续波 合成功率。圆锥合成器可作为一种宽带合成器，工作在x 频段时其i d b 带宽为1 5 ，增 益为6 d b 。近来己经研究并使用的辐射状合成器是工作在x 频段的1 2 口晶体管合成器， 它工作在8 5 g h z 时合成效率为8 7 4 ，l d b 带宽为2 0 。a t s u s h is a n a d a 提出了一种新 的波导型的多口行波微波功率合成分配器结构，通过在分配器内部抵消反射，实现行波 工作方式。分配器由各级无反射分配单元组成，每个分配单元包括一对同轴支路和一个 短的窄波导部分。它有插入损耗低，带宽宽和分支数量选择范围大等优点。但是其不足 的是端口之间隔离较弱，合成时在输入端应接相应的移向器。 1 3 3 空间型功率合成 空间功率合成技术是2 0 世纪8 0 年代提出的一种毫米波功率合成方法，在8 0 年代 后期和9 0 年代被人们所重视并广泛地加以研究。它主要分为两大类，即：由w l o t h a r 等人提出的准光腔功率合成技术和由kc a h n 9 1 0 】以及t i r o n t l l 】等人提出的自由空间波 功率合成技术。前者利用了准光腔( 又称为开放腔) 的基本特性，将毫米波器件通过不同 4 硕士论文毫米波宽带功率放大器的设计 的结构形式安置于准光腔内进行功率合成；后者则利用了天线的辐射和互耦特性，将各 个毫米波器件的辐射功率在自由空间进行功率合成。电路合成中，功率由有源器件直接 通过合成电路耦合到传输线上；空间合成中，功率由有源器件耦合为大直径的导播波束， 波束聚焦到空间上的功率需求点或者转换为波导模式输出。 在空间型功率合成中，大直径的波束横截面允许采用的合成单元数目更多，从而可 以提供更大的输出功率；而所有的合成单元都处于并联的状态，损耗基本上与合成单元 数量无关，这使得自由空间和准光腔合成在合成单元数目很多时( 3 2 ) 具有十分明显的优 势【7 】，可以满足高功率的需求。合成损耗主要是由有源器件耦合输出为传播波束以及传 播波束耦合到功率接收端口时引起的，而这种损耗可以通过优化设计做的很小。 在可靠性方面，由于各合成单元为并联关系，相互间的影响很小。n a i s h u ic h e n g 、 r a y o r k 等人对此曾作过容错性( g r a c e f u ld e g r a d a t i o np r o p e r t y ) 螂t 1 2 】，当部分单元失效 时，系统仍能够正常可靠地工作，而不会出现毁灭性的结果。可以说，空间合成是进一 步提高输出功率的有效方法，也是当前最热门的功率合成技术。 据已有报道，准光腔和自由空间合成中，放大单元排列构架大致可以分为两类：瓦 片状( ，n l e ) 排列和碟状( t r a y ) 排列。在瓦片状系统中，波束传播方向与阵列面( 放大器排 列面) 垂直，而碟状系统中波束传播方向与阵列面相切【1 3 1 。 瓦片状架构的放大器又有两种不同的结构，即栅格放大- 器( g r i da m p l i f i e r ) 和有源阵列 放大器( a c t i v ea r r a ya m p l i f i e r ) 。栅格放大器的阵列是紧密规则排列的晶体管阵，这种小尺 寸的蜂窝限制了功率和增益，但是由于有源器件密度大，便于制成单片电路，适用于中 等增益和功率的场合。b l y t h ed e c k m a n 等人研制出了3 7 g h z 的栅格放大器m m i c 芯片， 在l e n a 区域内集中了5 1 2 个晶体管，在3 7 2 g h z 处小信号增益8 d b ，带宽1 3g h z ，输 出功率为5 w 时，增益为5 d b ，功率附加效率1 5 ，采用氮化铝散热片，预计在7 0 栅 极温度下可连续工作。有源阵列放大器的蜂窝尺寸更大些，其天线更类似于常规天线， 如片状( p a t c h e s ) 和缝隙( s l o t s ) ，这种更大的蜂窝单元便于集成多级m m i c ，从而有更高 的输出功率和增益。 在s a n d e r s 公司最近的一个空间合成研究报告中曾报道一个碟状放大阵列，采用2 7 2 个m m i c ( 包括1 7 个碟，每碟包括1 6 个m m i c ) 喇叭天线馈入，喇叭天线收集，在 6 1 g h z 得到3 5 w 的c w 功率，具有6 0 d b 的小信号增益以及4 g h z 的带宽。收集效率大 约为4 5 - - 5 0 ，并称这种高功率高增益固态输出可以和电子管相比较。r a y 0 r k 等人 采用波导结构在x 波段( 8 。1 2 g h z ) 采用碟状空间合成，取得了成功。他们把波导与有 源器件间采用渐变缝隙线转换，采用8 个碟，每碟包含4 个5 w 的g a a sm m i c 放大器， 所有碟叠在一起形成标准矩形波导口，结构十分紧凑。最终结果测得在8 g h z 时输出 1 5 0 w 。并且对合成电路进行了容错性分析与实验，结果也相当满意，并宣称可以代替 低功率电子管真空功率、源【1 4 】【1 5 】。 。 5 l 绪论 硕士论文 1 3 4 混合型功率合成 在实际功率合成中，人们基本上都采用了混合合成。根据实际情况，利用以上几种 合成技术各自的优点，做到性能互补，以最经济的代价做到最实惠的功率合成。通常管 芯级合成为第一级，电路合成为第二级，若还需要的话，最后一级采用空间合成。以碟 状放大器为例，在使用的m m i c 中采用了管芯级合成和w i l k i n s o n 电桥电路合成，再以 电路合成技术构成单个碟，最后采用空间合成技术实现整个放大器。 。 1 4 论文章节安排 本文结构安排如下： 第一章是绪论，介绍了研究宽带功率放大器的意义，以及世界上主要生产宽带功率 放大器的公司。然后综述了国内外常见功率合成技术，从芯片级功率合成、电路级功率 合成到空间功率合成，最后是混合功率合成。 第二章是宽带功率放大器的设计，主要介绍了功率放大器的设计指标以及需要注意 的问题等。 第三章是宽带功率合成器的设计，论述了影响功率合成系统功率容量及合成效率的 因素，利用l a n g e 耦合器自行设计了宽带功率合成器。 第四章是宽带功率放大器的实现。包括芯片的保护及焊接工艺等，以及实物加工的 准备工作。 最后是结论部分，本篇论文的相关初步研究结论以及心得体会将在此给出。 6 硕士论文毫米波宽带功率放大器的设计 宽带功率放大器的设计方案 宽频带放大器通常指频带在倍频程以上的放大器，当频带为几个倍频程以上的多倍 频程时，往往又称超宽带放大器。对于频率为1 0 g h z 以上的功率放大器而言，频带很 难做宽，有时百分之三十、百分之五十的频带也称为宽频带功率放大器【1 6 1 。 本文设计的宽频带功率放大器工作频率为1 8 3 6 g h z ，目标是使得l d b 压缩点的 输出功率p l a a 2 6 d b m ，增益在2 0 d b 以上，同时尽可能顾及三阶交调、动态范围、增益 平坦度、驻波比等指标。 2 1 宽带功率放大器的主要技术指标 功率放大器的指标主要有：功率效率、功率附加效率、输入输出驻波比、增益平坦 度和增益斜率、调幅一调相转换、谐波失真、交调失真、输出功率、工作频带等【1 7 1 。以 下将对本论文主要关注的指标进行一下介绍。 1 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，考虑放大器输出功 率时必然会影响增益。通常高功率器件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。 功率放大器的输出功率可以采用饱和输出功率( p 曲或l d b 压缩点输出功率( p l 曲) 来 表征： 1 ) 饱和输出功率p 贼 当功率放大器的输入功率达到某一值后，再增大输入功率也不会增大输出功率的大 小，该输出功率称为饱和输出功率。当然这种说法是不严格的，因为功率放大器的转移 特性在饱和时很少表现为常数。在实际功率放大器中，在某一个频率处增加输入功率， 会使输出功率减小，而在工作频带内其他频率处，输出功率会慢慢增加。基于这点通常 用相对于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饱和输出功率，典 型的测量点为6 d b 压缩点。 2 ) l d b 压缩点输出功率p i d b 功率放大器的增益压缩l d b 所对应的输出功率称为l d b 压缩点输出功率，记作p l 皿。 图2 1 1 为功率放大器输入输出特性，功率单位以d b m 表示( 令l m w 为0 d b m ) ；相 应有增益特性，见图2 1 2 。当输入功率较小时，增益为常数，称为小信号线性增益g 0 ； 输入功率继续增大，由于非线性使输出功率与输入功率的比值即增益减小；当增益比小 信号线性增益下降l d b 时，称为“l d b 压缩点增益 ，对应输出功率称为“l d b 压缩点 输出功率 p l d b ，对应的输入功率称为“l d b 压缩点输入功率”p 永l d 黔。因此有 7 2 宽带功率放大器的设计硕士论文 p l a s = p 永i d 多+ g o 】 ( 2 1 1 ) 衡量功放性能，固然希望g o 大，使得在相同输出功率下要求较小输入电平，但更 主要的是p i n ( 1 抄大( 决定动态范围上限) 或p l d b 大( 决定失真较小的输出功率) 。 g o ( d b ) p 永i 曲睁 p m ( d b m ) p ( d b m ) p o i l p l 血 p 水l 曲 p 面( d b m ) 图2 1 1 功放的增益压缩i图2 1 2 功放的增益压缩i i 2 动态范围 放大器处于线性工作时，输入功率的变化范围，称为动态范围( d y n 锄i cr a n g e ， d r ) 。如果输入功率超过动态范围的上限，输出开始饱和：如果输入功率低于动态范 围的下限，噪声将占主导地位，如图2 1 3 所示。这些因素都会影响通讯质量。 o u t p u t p o w e r 图2 1 3 放大器的动态范围表示图 、 3 功率增益 功率增益是微波电路的重要指标之一，在实际的微波放大器中，当源阻抗和负载阻 抗不同时，所得到的功率增益是不同的。在微波放太器的分析和设计中，根据不同的目 8 硕士论文 毫米波宽带功率放大器的设计 的和要求，常常用到几种不同的功率增益。通常有实际功率增益、转换功率增益和资用 功率增益三种表示方式，下面我们分别加以说明。 1 ) 实际功率增益g 定义为负载所吸收的功率p l 与输入功率之比，即 g = 争 ( 2 1 2 ) 气 ( 2 2 ) 2 ) 转换功率增益g t 定义为负载吸收的功率p l 与信号源输出的资用功率p a 之比( 信号源输出的资用功率 就是信号源输出的最大功率) ，即 g ，：生 1 p ( 2 1 3 ) 转换功率嘶全面反映了晶体管的s 参数和网络输入、输出端匹配程度对增益的影 响，因此有着广泛的应用。 3 ) 资用功率增益c a 定义为负载吸收的资用功率p l 与信号源输出的资用功率p a 之比，即 _ - g = 蛩 旺， 因此它是在网络输出端共轭匹配时的转换功率增益。 对于同一种放大器来说，上述三种功率增益之间通常具有g g t ，g a g t 的关系。 但当网络输入、输出端同时实现共轭匹配时，三者达到统一，即c r = - g t = g a 。 4 功率效率和功率附加效率 1 ) 功率效率 功率放大器的功率效率刁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为射频功率的能力，定义为： 射频输出功率 2 吾而瓣 ( 2 1 5 ) 这种定义没有考虑放大器的放大能力，于是给出另外一种定义，即功率附加效率 ，它定义如下： 射频输出功率一射频输入功率 r 7 = = - - - - - - - - - - - - - - - - 一 1 删 直流输入功率 ( 2 1 6 ) 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。 5 谐波失真 当信号增大到一定程度，功率放大器因为工作在非线性区而产生一系列谐波。对于 2 宽带功率放大器的设计 硕士论文 窄带功率放大器，这些谐波都不在通带内，用滤波器很容易滤掉这些谐波。通常可以使 谐波降到一6 0 d b e 以下( 相对基波信g - ) ，因此这些谐波不会使系统性能变坏。对于宽带功 率放大器，这些谐波正好在通带范围内，滤波器就不能滤掉这些谐波，谐波失真指标都 比较差，大约在一2 0 d b e 左右。谐波失真大小由下式决定： h d 。旬叭。g 芎( 叫 ( 2 1 7 ) 式中h d 。为1 1 次谐波失真；只为1 1 次谐波输出功率；只为基波信号输出功率。 通常在设计小功率放大器时( 比如几十毫瓦或几百毫瓦) ，可以不考虑这项指标。但 在大功率设计中，为避免对其他电子系统的干扰，必须考虑这项指标 6 交调失真 交调失真是两个或更多个输入信号经过功率放大器而产生的混合分量，它是由于功 率放大器的非线性造成的。例如有两个不同频率的输入信号劬、鸱，由于功率放大器 的非线性，输出信号中将有许多新产生的分量： 朋q 土甩哆( _ ，l 、刀= 0 、1 、2 ) ( 2 1 8 ) 各分量分别称为m + n 阶交调分量。交调分量的大小可以用交调系数来表示。其m + n 阶交调系数为： p m m + n 。1 0 1 0 9 警( d b c ) ( 2 1 - 9 ) m 。+ 。的含义是交调分量比上基波分量的分贝值，只+ 。是n m 阶交调功率，e ( i = o ， 1 ) 是分别对应于q 、哆基波输入功率。其中三阶交调分量( 2 q 一必，q 一2 吐) 与基波信 号频率( q ，) 非常接近，所以要着重考虑，其定义为： p m s = 1 0 1 0 9 号( d b c ) ( 2 1 1 0 ) 其中只为是三阶交调频率( 2 q 一哆，q 一2 哆) 处的三阶交调功率，丑和最是分别对 应于频率q ，呸的基波输出功率。 交调失真产物对模拟微波通信来说，会产生邻近话路之间的串扰；对数字微波通信 来说，会降低系统的频谱利用率，并使误码率恶化。因此容量越大的系统，要求三阶交 调系数越低，例如要求3 0 d b ，甚至- 4 0 d b 。 足血和m 3 ( 血) 两种指标是功放非线性的两种度量方法，假定微波功率放大器是无惯 性非线性网络，且在点的幅度非线性很小，在上述两个假定条件下，两个角频率为 q ，的等幅信号输入时；毋血点的三阶交调系数近似为： m 3 ( t ) = 一2 3 7 5 ( d b c ) 1 0 ( 2 1 ：1 1 ) 硕士论文毫米波宽带功率放大器的设计 由于理论分析中的假设、实际测量的误差以及微波晶体管实际非线性的优劣程度的 。不一致，在工程估算时，常常取m 3 ( 。血) 为- 2 0 d b c 。 图2 1 4 中基波信号输出功率特性延长线与三阶交调特性延长线的交点称为三阶交 调交截点。 p o u t ( 1d b ) p i n ( d b m ) p i n ( d a m ) 图2 1 4 功率基波和三阶交调输入输出特性 三阶交调交截点用符号圯表示，对应的输出功率是只，它也反映了微波功率放大 器的非线性，当输出功率一定时，三阶交调交截点输出功率足越大，微波功率放大器的 线性就越好。由只也可以估计三阶交调系数： m ，2 ( 一e ) ( 抬c ) ( 2 1 1 2 ) 式中p o 山是基波信号输出功率，所有分量都以d b 为运算单位，它只适用于信号功率 较小的情况，三阶交调交截点比l d b 点大1 0 d b ，它是放大器在a 类工作时的假想点。 7 增益平坦度与起伏斜率 增益平坦度是一项普通技术指标，它表征功率放大器增益在一定功率范围内变化大 小。增益平坦度是指频带内最高增益与最低增益的分贝数之差，如图2 1 5 所示的 g o 多倍频程放大器的增益平坦度一般是l d b - - 一+ 3 d b 。图中的g o ( d b ) 是标称增益。 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。增益平坦度应该是在5 0 q 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。实际系统并不是理想的5 0 d 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。 2 宽带功率放大器的设计 硕士论文 图2 1 5 增益平坦度和起伏斜翠 宽带放大器在正常工作时，通常只用到它的一部分频带。比如接收图像信号时，信 号频谱也只占据几十兆赫频带。为了保持信号图像信号的保真度，在此小段频带内不允 许增益起伏过陡，否则增益陡变处将引入较大相位变化，从而使信号畸变。此项要求用 增益起伏斜率表示，其单位是a g ( d b ) m h z 。所以图2 1 5 中，频域a 中就是增益斜率 最坏区域。在要求较高的微波设备中，增益斜率需要达到0 0 2 0 0 5 d b m h z 。 8 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 损耗成和驻波比p 的关系可以用下式表示 ， 一1 、 成观0 1 9 【箫j ( 2 1 1 3 ) 又知反射系数的模值为 | r | = 而p - i 由式( 2 1 1 3 ) 、( 2 i 1 4 ) 可得出驻波比、 ( 2 1 1 4 ) 回波损耗、反射系数之间的换算值，列于表 2 1 1 中。可以看出，反射系数越大，回波损耗( 带负号) 就越大，驻波比也越大。 表2 1 1 驻波比、回波损耗、反射系数换算表 1 2 驻波比 i 0 5 1 11 21 31 51 62 03 o5 0 回波损耗 3 2 2 6 2 6 4 42 0 8 31 7 6 91 3 9 81 2 7 4 9 5 4石0 2- 3 5 2 ( d b ) 反射系数 o 0 2 4o 0 4 80 0 9 10 1 3 00 2 0 0 o 2 3 10 3 3 3 o 5 0 0o 6 6 7 9 工作频带 工作频带是指放大器应满足全部指标的连续频率范围。硅双极型晶体管功率放大器 硕士论文 毫米波宽带功率放大器的设计 和硅金属氧化物场效应管功率放大器的工作频率是从3 0 0 m h z 到4 g h z ，砷化镓场效应 管功率放大器的工作频率是从1 g h 到几十吉赫兹。 1 0 寄生输出 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失配时 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d b c 为单位。一般要求 在5 0 d b c 以下。 2 2 设计的总体指标 工作频段：1 8 3 6 g h z 输出功率：2 6 d b m 整体增益： 2 0 d b 增益乎坦度： l d b 输入驻波比：2 ：1 输出驻波比： 2 ：1 2 3 设计的总体方案 本论文考虑采用四片芯片合成的方式来达到设计的指标。因为在倍频程的带宽内单 片难以达到设计要求的指标，因此采用合成方式来做设计。方案示意图如图2 3 1 所示。 功分_ 1 户 网络 芯片 功合 网络 功分。l，21设计方案示意图 13 2 宽带功率放大器的设计 硕士论文 2 4 器件的选择 在功率放大电路的设计中，给定频率情况下，主要是考虑它的最大输出功率及功率 附加效率。对于毫米波功率放大器，其性能的高低关键取决于器件的选择、匹配电路 的设计、偏置电路的设计及加工工艺水平。若采用h e m t 的功放单管，管子的增益很 低，输出功率很小，且由于封装寄生参数和连接引线的影响，电路制作公差较大，即使 在窄带实现的难度也较大。g a a sm m i c 芯片是用混合集成工艺实现的，它具有抗辐射 性能及低温性能好、可靠性高和高频性能优越等特点。 在选择功率放大器芯片的时候首先要考虑的是芯片的输出功率。功率放大器芯片的 输出功率越大对整个功率放大器的模块越有利，因为单个芯片输出能力的提高可以减小 输出放大级使用芯片的数量，进而使得加工的复杂度降低、模块的体积减小、成本降低。 在我们需要的频率范围附近，m m i c 芯片在国外己经有一些产品可供我们选择，如表 2 4 1 所示。 表2 4 1 倍频程功率放大器m m i c 芯片列表 公司型号 频段( g i - i z )输出功率( d b m )增益( d b ) t r i q u i n t t g a 4 0 3 l 1 7 _ 4 02 12 2 t r i q u i n t t g a 4 0 3 61 9 3 8 2 02 1 t r i q u i n t t g a 4 0 4 01 7 4 3 2 22 5 h i n i t eh m c 2 8 31 7 _ 4 0 1 82 1 h i t t i t eh m c 6 3 51 8 4 02 31 9 u m sc h a2 0 9 8 b2 0 4 01 61 9 u m sc h a 3 0 9 3 c2 0 4 02 02 2 t l ct l c a 0 1 9 8 l1 2 3 3 51 22 0 根据上面的表格中列出的几种芯片，首先从频率上来讲符合设计要求的有t r i q u i n t 公司的t g a 4 0 3 1 和t g a 4 0 4 0 ，以及h i t t i t e 公司的h m c 2 8 3 和h m c 6 3 5 。但从输出功 率和增益要求方面考虑，我们选择了t g a 4 0 4 0 来进行放大器的设计。除此以外，这款 芯片的优点还表现在，它的输出功率和增益的平坦度相对于其他三款芯片来讲要稍好一 些。 1 4 硕士论文毫米波宽带功率放大器的设计 宽带功率分配合成网络 高功率合成系统的设计需要满足宽带、高效率、高可靠性、低损耗等要求。目前应 用比较多的几种经典平面功率合成结构包括w i l k i n s o n 功分器、l a n g c 耦合器、混合环 以及分支线定向耦合器等。下面分别对这些结构进行介绍。 3 1 经典平面功率合成结构 1 w i l k i n s o n 功分器 在微带功分器中，w i l k i n s o n 功分器由于其自身结构的特点具有良好的特性，是在 毫米波微波大功率放大器系统中应用最广泛的一种形式，其功率分配可以是相等的或不 相等的 i s 】。 图3 1 1 示出一个三端口w i l k i n s o n 功率分配器，它是在t 形接头基础上发展起来的。 当信号由端口2 和端口3 输出，只要设计恰当，此两个输出可以按一定比例分配，而两 个输出端保持相同的电压，电阻r 中没有电流，不吸取功率。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，则将有功率为电阻r 所吸收，从而保 证两输出端有良好的隔离。 6 图3 1 1w i l k i n s o n 三端口功率分配器示意图 推导三端口功率分配器的设计公式时，先设端口l 输入的信号由端口2 和端口3 输 出，输出的功率分别为p 2 和p 3 ，并且按照下列比例分配，即 b = k 2 忍 ( 3 1 1 ) 同时臂2 上任一点对地电压等于臂3 上对称点对地的电压，即v 2 = v 3 。而端口2 和 端口3 的输出功率与其电压的关系是 1 5 3 宽带功分功合网络 硕士论文 i 昱= 呼z ： 【忍= 呼z ， 将此式代入式3 1 3 并考虑到恍，则得 曙z , = k 2 曙z , 即 z 2 = k 2 乙 若选z 2 = k z o ，则z 3 = z o x ，因而r 可选为 r = k z o + z o l k = ( 1 + k 2 ) z o k 同时，在t 形接头处臂2 得输入阻抗z 2 i n ， 口l 的输入阻抗，即 z i 加= ( z 2 加z 3 加) ( z 2 如+ z 3 加) = k 2 2 3 加( i + k 2 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 与臂3 的输入阻抗z 3 i n 相并联，则为端 为了使输入端匹配，必须令z l m = z o ，于是得 k 2 2 3 加( 1 + x 2 ) = z o 或 ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) iz 3 加= ( 1 + k 2 ) z o r 2 【z 2 加= k 2 2 3 加= ( 1 + k 2 ) z o ( 3 i 9 ) 由于端口1 到端口2 和3 的距离都是1 4 波长，要使端口2 和端口3 都是匹配终端， 则它们的特性阻抗必须是 i = 丽= ( 1 + k 2 ) z o k z o = x k ( i + k 2 ) z o 1z 0 3 ：丽：4 i l + k z ) k 3 z o 。 1 0 综合以上结果，得出图3 1 1 的简单三端口功率分配器的设计公式是 1 6 只= k 2 罡 z 2 = k z o z 3 = z o k = z o 压i 甬巧 ( 3 1 1 1 ) ( 3 1 1 2 ) ( 3 1 1 3 )