毫米波固態(tài)功放的現(xiàn)狀與展望?

朱海帆

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

毫米波固態(tài)功放的現(xiàn)狀與展望?

朱海帆

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

毫米波高功率功放是毫米波系統(tǒng)發(fā)射信道中的核心設(shè)備，固態(tài)功放因其高可靠性等優(yōu)點(diǎn)將逐步取代傳統(tǒng)的行波管功放?？偨Y(jié)了毫米波固態(tài)功放的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀；針對(duì)毫米波功率合成、固態(tài)功放線性化等關(guān)鍵技術(shù)，分析了不同技術(shù)途徑的各自特點(diǎn)，并總結(jié)出一些具有實(shí)用價(jià)值的技術(shù)方法；最后指出了毫米波固態(tài)功放技術(shù)今后的重點(diǎn)研究方向。

毫米波；固態(tài)功放；功率合成；自適應(yīng)線性化；預(yù)失真

1 引言

隨著技術(shù)的日益發(fā)展，目前測(cè)控、通信、雷達(dá)及電子對(duì)抗系統(tǒng)的工作頻率已上移至毫米波頻段。位于發(fā)射信道末端的高功率功放對(duì)系統(tǒng)性能至關(guān)重要，對(duì)系統(tǒng)的測(cè)控精度、通信質(zhì)量、作用半徑、抗干擾能力等方面有決定性影響。

由于毫米波固態(tài)功率器件的輸出功率有限，長(zhǎng)久以來，都是采用行波管（Traveling-wave Tube，TWT）等電真空放大器獲取高功率輸出。隨著半導(dǎo)體工藝水平的不斷提高，采用GaAs材料工藝的毫米波功率器件的輸出功率得以大幅提升，而通過功率合成技術(shù)［1］可將多個(gè)功率器件的輸出功率疊加，突破單個(gè)功率器件輸出不足的限制。在以上技術(shù)基礎(chǔ)之上，目前毫米波固態(tài)功放技術(shù)發(fā)展迅速，輸出功率已可達(dá)到行波管功放的水平。

相比行波管放大器，固態(tài)功放在工作電壓、可靠性及環(huán)境適應(yīng)性等方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)，在系統(tǒng)應(yīng)用中受到更多的青睞。

2 毫米波固態(tài)功放研究現(xiàn)狀

毫米波頻段是指波長(zhǎng)介于1～10mm的一段電磁頻譜，其應(yīng)用頻率主要集中在Ka頻段（26～40 GHz）、U頻段（40～60 GHz）及W頻段（70～110GHz）。

在上述應(yīng)用頻段中，Ka頻段固態(tài)功放的發(fā)展尤為迅速，已廣泛應(yīng)用于通信、測(cè)控、雷達(dá)及電子對(duì)抗多個(gè)領(lǐng)域。國(guó)外已形成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，多家商用公司均在開發(fā)固態(tài)功放產(chǎn)品，其代表為美國(guó)Sophia公司和加拿大Advantech公司，查閱公開產(chǎn)品資料得知，其連續(xù)波輸出功率可達(dá)100W，工作頻率覆蓋25～31 GHz。從所掌握的技術(shù)資料推測(cè)，其軍用裝備系統(tǒng)中所使用的固態(tài)功放輸出功率超過200W。

在國(guó)內(nèi)，目前已有多家科研機(jī)構(gòu)推出了相應(yīng)的Ka頻段固態(tài)功放產(chǎn)品，輸出功率一般在50W以內(nèi)，部分已正式投入工程應(yīng)用。

在技術(shù)難度更大的百瓦級(jí)功放方面，國(guó)內(nèi)也有所突破。文獻(xiàn)［2］采用波導(dǎo)功率合成技術(shù)研制了工作頻段為35～35.4 GHz的脈沖固態(tài)功放，輸出功率可達(dá)100W。中國(guó)西南電子技術(shù)研究所于2010年研制了Ka頻段200W連續(xù)波固態(tài)功放，工作頻段為27～31 GHz，輸出功率可達(dá)250W，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的相關(guān)技術(shù)空白，達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。

U頻段的固態(tài)功放主要用于軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)，如美國(guó)先進(jìn)極高頻（AEHF）衛(wèi)星系統(tǒng)的上行鏈路工作頻率為43.5～45.5 GHz，其輸出功率可達(dá)百瓦以上。

在波長(zhǎng)極短的3mm頻段（如W頻段），由于器件工藝的限制，以往多采用雪崩二極管注入鎖定放大的方式獲取高功率輸出。而隨著極高頻功率器件的發(fā)展，W頻段的固態(tài)功放也取得了突破性的進(jìn)展。2010年HRL試驗(yàn)室研制的固態(tài)功率合成放大器輸出功率可達(dá)5.2W［3］。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 功率合成技術(shù)

由于單個(gè)固態(tài)功率器件的輸出功率不足，功率合成技術(shù)是目前研制毫米波高功率固態(tài)功放的唯一技術(shù)途徑。

在毫米波頻段，由于介質(zhì)損耗導(dǎo)致平面合成電路的插損急劇上升，無法實(shí)現(xiàn)多路高效合成，因而在合成電路設(shè)計(jì)中一般大量采用低損耗的矩形波導(dǎo)或同軸腔體結(jié)構(gòu)來提高合成效率。

目前毫米波頻段功率合成的方式較多，各自特點(diǎn)不一而同，下面分別介紹并分析幾種代表性的合成方式。

（1）二進(jìn)制式功率合成

由2n（n為合成級(jí)數(shù)）個(gè)功分／合成級(jí)聯(lián)，構(gòu)成合成網(wǎng)絡(luò)，并將多個(gè)功率器件加以合成，是目前應(yīng)用最多的一種合成方式。為降低損耗，通常先由波導(dǎo)與平面電路混合構(gòu)成的合成網(wǎng)絡(luò)將多個(gè)芯片合成于單個(gè)腔體之內(nèi)，構(gòu)成單元功率模塊。再由低損耗的波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)將多個(gè)功率模塊再次合成，進(jìn)一步擴(kuò)展輸出功率。這種合成原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，在上百的合成路數(shù)下仍具有較高的合成效率和工作帶寬。但隨著合成級(jí)數(shù)的繼續(xù)增加，引入的插損也隨之增大，合成效率會(huì)逐步降低，其合成路數(shù)一般限制在256路以內(nèi)。

（2）波導(dǎo)裂縫陣功率合成

利用裂縫陣將波導(dǎo)內(nèi)部的傳輸功率等分耦合，經(jīng)放大后同理合成于波導(dǎo)之內(nèi)，可分為行波式［4］或駐波式［5］。理論上其合成路數(shù)不會(huì)影響合成效率，并可進(jìn)行任意路數(shù)功率合成。其電路精度要求極高，不易加工，并且由于電路結(jié)構(gòu)非中心對(duì)稱，使其工作帶寬會(huì)隨合成路數(shù)增加而變窄，造成其合成規(guī)模有限。

（3）同軸波導(dǎo)功率合成

與上面提到的基于矩形波導(dǎo)的合成方式類似，同軸波導(dǎo)功率合成［6］則是利用同樣具有低損耗特性的同軸腔來完成功率合成，目前主要有徑向波導(dǎo)合成［7］與過模同軸波導(dǎo)合成［8］兩種方式。因其合成電路為并聯(lián)方式，不會(huì)像二進(jìn)制級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)那樣因?yàn)楹铣陕窋?shù)多而導(dǎo)致合成效率下降。由于同軸波導(dǎo)的工作主模是TEM模，沒有截止頻率的限制，其工作帶寬可達(dá)倍頻程以上，適合用于要求寬帶輸出的固態(tài)功放。但這類電路結(jié)構(gòu)無法消除各路中有源器件的駐波和不一致性對(duì)合成效率的影響，電路結(jié)構(gòu)決定其散熱困難，對(duì)加工工藝要求也較高，通常有源指標(biāo)與理論設(shè)計(jì)值有較大差距。

對(duì)比以上幾種合成技術(shù)的特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，二進(jìn)制式功率合成原理簡(jiǎn)單，可行性高，合成電路的綜合性能指標(biāo)良好，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。

3.2 毫米波功放線性化技術(shù)

在航天測(cè)控、衛(wèi)星通信等應(yīng)用領(lǐng)域中，除了要求高功率輸出外，還要求功放有良好的線性度。而目前毫米波固態(tài)功率器件自身的線性度通常不能滿足系統(tǒng)要求，尤其是三階互調(diào)指標(biāo)差距較大，需要采用線性化技術(shù)來優(yōu)化其指標(biāo)。

常用的線性化技術(shù)方案有預(yù)失真、負(fù)反饋、前饋法等幾種方式，這些方法在諸如移動(dòng)通信等工作頻率較低的微波信道設(shè)計(jì)中均有成熟應(yīng)用。但在毫米波頻段中，負(fù)反饋法和前饋法的電路過于復(fù)雜，精度難以保證，有源器件的性能也有所欠缺，使其應(yīng)用受到限制。而預(yù)失真法由于電路原理簡(jiǎn)單，對(duì)有源器件的要求也相對(duì)較低，因而比較常見地應(yīng)用到Ka及以上頻段，在改善三階互調(diào)的效果上，也能達(dá)到更好的效果。

文獻(xiàn)［9］根據(jù)有源RC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法，用FET設(shè)計(jì)了一種預(yù)失真器，用于工作帶寬為27～30 GHz的毫米波功放，三階互調(diào)可改善8.6 dB。

文獻(xiàn)［10］中采用基于單管并聯(lián)二級(jí)管的射頻預(yù)失真器，研制了Ka頻段的線性化固態(tài)功放（圖1），其三階互調(diào)優(yōu)化幅度達(dá)到15 dBc，并已投入工程使用。

圖1 采用單個(gè)二極管并聯(lián)的預(yù)失真器電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of predistortion linearizer using a parallel Schottky diode

基于微波二極管的射頻預(yù)失真器可直接工作于毫米波頻段，并且線性度優(yōu)化效果明顯，是目前在毫米波頻段可行的一種線性化方法。

4 發(fā)展趨勢(shì)展望

總的來看，固態(tài)功放技術(shù)將向著高效率、高線性度和極高頻段（3mm頻段及以上）應(yīng)用幾個(gè)方向發(fā)展，研究熱點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面。

（1）高效率固態(tài)功放

由于半導(dǎo)體工藝的限制，目前毫米波功放單片的效率偏低，使得高功率的毫米波固態(tài)功放整機(jī)功耗大，對(duì)配電和散熱的要求較高，在一些特定平臺(tái)的應(yīng)用受到限制。

毫米波功放芯片的性能直接決定了固態(tài)功放的工作效率，因而從芯片材料生長(zhǎng)和制作工藝上來提高單片功放的效率是最為直接的途徑。目前所使用的砷化鎵（GaAs PHEMT）功放芯片其最高效率可達(dá)20%，而采用第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵（GaN HEMT）則具有更高的功率特性、更好的高頻性能和低噪聲性能［11］。

目前在毫米波器件方面，采用氮化鎵工藝的Ka頻段功放芯片輸出功率最高達(dá)11W，效率最高可到55%；工作于W頻段的功放芯片輸出功率達(dá)到842mW。在不遠(yuǎn)的將來，就將全面取代目前占主導(dǎo)地位的砷化鎵功率器件，毫米波固態(tài)功放的效率也將隨之大幅提升。

設(shè)計(jì)合理外圍電路也是提高效率的一種技術(shù)途徑，如包絡(luò)跟蹤技術(shù)［12］和自適應(yīng)可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［13］以及電流堆棧饋電技術(shù)［14］均有較強(qiáng)的參考價(jià)值。

（2）自適應(yīng)線性化技術(shù)

射頻預(yù)失真技術(shù)目前成為優(yōu)化毫米波固態(tài)功放線性度的主要技術(shù)途徑，國(guó)內(nèi)外在此方面都開展了研究，并取得一定成果。由于一些關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，現(xiàn)階段的毫米波預(yù)失真電路均為開環(huán)電路，在相對(duì)固定的條件下可較好地改善功放的線性度，但對(duì)變化較大的使用環(huán)境，如功率范圍、工作頻段及溫度等方面適應(yīng)性不強(qiáng)。

在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)之上，如能精確提取功放的非線性參數(shù)，并反饋給自適應(yīng)控制單元，結(jié)合檢測(cè)控制電路的優(yōu)化算法，閉環(huán)控制預(yù)失真器的工作狀態(tài)，以自動(dòng)適應(yīng)多變的工作環(huán)境及使用條件，則可大幅提升線性化電路對(duì)功率、溫度和載波參數(shù)的適應(yīng)能力，提升功放的性能和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）空間功率合成

傳統(tǒng)的二進(jìn)制功率合成由于隨著合成級(jí)數(shù)增加會(huì)導(dǎo)致合成效率下降，使得其合成數(shù)量會(huì)受到一定限制，一般不超過256。而目前更高頻段（如W頻段）的功放單片輸出功率極小，如要獲取大功率輸出，需要更大的合成規(guī)模。

空間功率合成是將有源部件的功率耦合到大直徑（過模）的導(dǎo)行波束或波導(dǎo)模，利用截面積大的波束可以將許多器件集中在一個(gè)合成級(jí)。由于所有器件并聯(lián)工作，損耗基本上與器件數(shù)無關(guān)，系統(tǒng)中的歐姆損耗最小，在海量功率器件合成和高頻段應(yīng)用中優(yōu)點(diǎn)突出。

由于空間功率合成的物理模型復(fù)雜，設(shè)計(jì)制造困難，國(guó)內(nèi)外均處于研究階段，目前亦取得一定的突破。文獻(xiàn)［15］和文獻(xiàn)［16］介紹了利用透鏡天線和有源陣面組成的空間功率合成系統(tǒng)，其合成數(shù)量分別為512和272。國(guó)內(nèi)則針對(duì)準(zhǔn)光功率合成［17］開展了研究，并取得了相應(yīng)的研究成果［18］。

隨著W頻段及更高頻段的毫米波系統(tǒng)的發(fā)展，發(fā)射信道將需求更高的輸出功率，空間功率合成技術(shù)作為解決輸出功率難題的主要途徑，將受到更多的關(guān)注。

5 結(jié)論

隨著半導(dǎo)體工藝的提升和功率合成技術(shù)的發(fā)展，毫米波固態(tài)功放的輸出功率已突破百瓦，行波管功放不再是毫米波高功率發(fā)射信道的唯一選擇，固態(tài)功放相比行波功放有著多方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已成為毫米波高功放發(fā)展的主流趨勢(shì)。

目前毫米波固態(tài)功放技術(shù)正處于高速發(fā)展時(shí)期，工程需求十分旺盛。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外一些典型的產(chǎn)品，介紹了毫米波固態(tài)功放的研究現(xiàn)狀，并分析了固態(tài)功放設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵技術(shù)的特點(diǎn)，歸納出一些具有工程實(shí)用價(jià)值的技術(shù)途徑，指出了毫米波固態(tài)功放將來發(fā)展的一些熱點(diǎn)研究方向，希望對(duì)毫米波固態(tài)功放的設(shè)計(jì)研究起到一定的參考作用。

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Current Status and Expectation of M illimeter-wave Solid-state Power Am plifiers

ZHU Hai-fan
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

As the core equipmentofmillimeter-wave（MMW）system TX channels，solid-state power amplifier（PA）hasbeen gradually replacing traditional Traveling-wave Tube（TWT）PA due to its superiorities including high reliability.This paper introduces the domestic and foreign development ofMMW solid-state PA researches.Aiming at some key techniques such as power-combining，solid-state PA linearization etc.，it analyses each feature of distinct technical approaches and summarizes some practical technicalmethods.The key directions of the futurework are also investigated.

millimeter-wave（MMW）；solid-state power amplifier；power-combining；adaptive linearization；predistortion

the B.Sdegree and theM.S.degree from the U-niversity of Electronic Science and Technology of China in 2000 and 2004，respectively.He isnow an engineer.His research interests includemillimeter-wave solid-state power amplifier and powercombining techniques.

1001-893X（2012）04-0600-04

2011-09-30；

2012-03-26

TN72

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.04.036

朱海帆（1977—），男，四川成都人，2000年和2004年于電子科技大學(xué)分別獲學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事毫米波固態(tài)功率放大器及功率合成技術(shù)等方面的研究。

Email：zhuhf10＠yahoo.cn

ZHU Hai-fan was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1977.He