小型化2瓦W波段放大模塊組件設(shè)計研究?

（博微太赫茲信息科技有限公司 合肥 230031）

1 引言

隨著現(xiàn)代雷達(dá)與通信技術(shù)的發(fā)展，無線頻譜逐漸邁向更高的毫米波頻段，處于大氣窗口的W頻段越來越受到人們的重視。在毫米波雷達(dá)與通信中，功率放大器是發(fā)射端的關(guān)鍵組成部件，通常位于發(fā)射機(jī)的末級放大電路，主要作用是將毫米波信號放大后，傳遞給發(fā)射天線，并將毫米波信號發(fā)射到無線空間中。整個收發(fā)系統(tǒng)的作用距離和信號強度與功率放大器密切相關(guān)。本文設(shè)計了一款工作于92GHz～96GHz的小型化2瓦功率放大模塊組件，能很好的滿足W頻段對發(fā)射功率的需求，可應(yīng)用于通信、雷達(dá)和人體安檢等領(lǐng)域。

2 基本原理

在W頻段，功放模塊的成本主要集中在功放芯片上，單個功放芯片價格與輸出功率直接相關(guān)（約1000元/100毫瓦），而不同材料的功放芯片輸出功率有所差異。W頻段的功放芯片材料主要有GaAs、InP、SiGe和GaN，前三種材料功放芯片輸出功率較低，通常小于0.5瓦，若要達(dá)到輸出功率2瓦的要求，需要采用功率合成的方式，這也是目前瓦級W波段功放模塊常見的電路形式。單個GaN芯片的輸出功率可達(dá)到2瓦以上，小信號增益約15dB～20dB，采用兩級GaN芯片串聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)（如圖1）即可滿設(shè)計要求。多個芯片功率合成的方式與串聯(lián)方式相比，具有非常明顯的缺點，芯片數(shù)量較多，饋電電路多，結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜、體積大、效率低，雖然單個GaAs功放芯片價格較低，但數(shù)量增加導(dǎo)致總成本大幅升高，并且由于合成過程存在能量損失（合成效率約80%），因此效率低；而串聯(lián)方式電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高、裝調(diào)簡單，效率更高，雖然單個芯片成本高，但依然能降低總體成本，因此選用串聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)。

圖1 兩種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較

在毫米波芯片電路中，電路尺寸小，通常將輸入輸出端口的匹配電路集成在芯片內(nèi)部，輸入輸出端口均為50Ω阻抗，芯片與介質(zhì)基板的連接通過金絲鍵合來實現(xiàn)。因此，毫米波功放的設(shè)計工作更多集中在微波介質(zhì)基片、基板到波導(dǎo)端口的轉(zhuǎn)換、腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計和共晶工藝設(shè)計及直流偏置保護(hù)電路設(shè)計。

3 研制過程

3.1 微波介質(zhì)基片與波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換

微波介質(zhì)基片是微波電磁場的傳輸媒質(zhì)，又是電路的支撐體。對于基片的要求是損耗小、表面光潔度高、參數(shù)穩(wěn)定、價格低等。在W頻段微波介質(zhì)基片多用薄的5880或石英（介質(zhì)厚度 ≤0.127mm），兩種板材各有優(yōu)缺點，5880功率容量大，但加工精度較低，表面光潔度較差、損耗較大，石英功率容量較小，但加工精度更高，表面光潔度好、損耗低。

波導(dǎo)—微帶過渡結(jié)構(gòu)在毫米波頻段，目前常用的波導(dǎo)—微帶過渡結(jié)構(gòu)有探針過渡、鰭線過渡和脊波導(dǎo)過渡等。在這里選用波導(dǎo)—雙鰭線過渡到5880微帶的結(jié)構(gòu)形式，該形式具有結(jié)構(gòu)體積小、加工工藝要求低等優(yōu)點。在波導(dǎo)—微帶探針過渡結(jié)構(gòu)中，波導(dǎo)與微帶電路的連接有垂直和平行兩種方式?？紤]到本設(shè)計中固態(tài)器件的安裝方式和腔體結(jié)構(gòu)，選用波導(dǎo)短路面與微帶電路垂直的方式。微帶探針從波導(dǎo)的寬邊中心位置插入波導(dǎo)腔中，此處波導(dǎo)傳輸主模TE10模電場最大，同時需要一個短路面來形成電抗與插入探針形成的電抗抵消。理論上，可以近似假設(shè)細(xì)探針上電流是按正弦駐波分布[1]：

式中，d為探針插入的深度。

表1 RT/Duriod 5880和石英基片比較

微帶探針的輸入阻抗：

其中：

式中，β10為矩形波導(dǎo)TE10模的傳播常數(shù)；a和b分別為波導(dǎo)寬邊和窄邊的長度。通過調(diào)整短路面位置L和探針插入深度d，可以使探針阻抗的電納X為零，并使輻射電阻R與50Ω微帶線匹配，以達(dá)到最佳耦合效果[2]。通過精確的理論計算，采用低阻抗線匹配的探針結(jié)構(gòu)，改善微帶線的功率損耗（如圖2所示），可滿足功率容量和高精度、低損耗等綜合要求。

波導(dǎo)—雙鰭線過渡結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果如圖3所示，波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶在工作92GHz～96GHz范圍內(nèi)，插損小于0.4dB，回波損耗優(yōu)于-18dB，滿足設(shè)計使用要求。

圖2 波導(dǎo)—雙鰭線過渡結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 波導(dǎo)—雙鰭線過渡S參數(shù)曲線圖

3.2 腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了保證高頻電路的設(shè)計穩(wěn)定性，需要對腔體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)微波腔體傳輸?shù)南嚓P(guān)理論，尺寸較大的傳輸腔，會激起數(shù)量較多、能量更大的高次模，因此需要壓縮腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時需要結(jié)合工藝裝配要求，將腔體尺寸控制在一個合理的范圍內(nèi)，通過仿真優(yōu)化改善空間匹配效果。為滿足模塊的散熱需求，在腔體外部設(shè)置了散熱結(jié)構(gòu)，增大散熱面積，提高散熱效率。

圖4 功放模塊結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 共晶工藝設(shè)計

所采用的2W功放器件直流功耗最大可達(dá)20W，需要采用共晶燒結(jié)工藝。目前，常見的熱沉材料為鉬銅/鎢銅合金、多層鉬銅/鎢銅合金、金剛石銅和無氧銅等。金剛石銅導(dǎo)熱性最佳，熱膨脹系數(shù)與芯片材質(zhì)接近，是最理想的熱沉，但價格昂貴，難以加工處理；鉬銅/鎢銅熱沉最常用，熱膨脹系數(shù)與芯片材質(zhì)也很接近，但表面光潔度不佳（圖5），共晶時容易在芯片與熱沉之間產(chǎn)生空洞和汽包，當(dāng)芯片面積較大時，共晶效果差；無氧銅價格低，工藝處理簡單，表面光潔度好，更適于共晶燒結(jié)工藝。如圖6所示，將功放芯片和無氧銅、鉬銅分別共晶后，在X光下檢驗兩種熱沉的共晶效果，圖中黑色區(qū)域中的白色不規(guī)則弧圈即為氣泡或空洞，在相同工藝條件下，無氧銅熱沉空洞率遠(yuǎn)小于鉬銅熱沉，共晶效果更好。另外，由于無氧銅的熱漲系數(shù)為18.6×10-8/℃，GaN材料約為5～6×10-6/℃，前者僅為后者的二十六分之一到三十分之一，當(dāng)無氧銅作為GaN芯片的熱沉?xí)r，相對于芯片所產(chǎn)生的熱應(yīng)力可忽略。

圖5 高倍顯微鏡下鉬銅與無氧銅表面光潔度比較（左上為鉬銅，右下為無氧銅）

3.4 直流偏置保護(hù)電路設(shè)計

直流偏置電路是模塊不可或缺的一部分，不僅需要提供滿足射頻芯片要求的穩(wěn)定直流偏置，通過合理設(shè)置柵極和漏極的加電時序，還能起到保護(hù)功放芯片的作用，特別是對于價格昂貴的W頻段功放芯片，保護(hù)芯片不受損壞是極具價值的。這里采用ADI的電源邏輯控制單片HMC980LP4饋電，該單片可同時提供正負(fù)壓，且內(nèi)部具有自反饋功能，可通過調(diào)節(jié)柵壓，提供滿足功放所需的漏極電流，保證輸出功率的穩(wěn)定性。由于內(nèi)部包含時序控制功能，上電期間，先產(chǎn)生的負(fù)壓保證功放處于關(guān)斷狀態(tài)，功放漏極加上電壓后，通過內(nèi)部反饋，調(diào)節(jié)柵壓，得到所需的漏極電流。類似的掉電保護(hù)電路也會使功放芯片安全掉電。掉電期間，功放柵壓總是在漏壓之后關(guān)斷，即使漏極短路也是如此。所以，即使HMC980LP4損壞，也能保證功放芯片不被擊穿。

此外，對于功放芯片的旁路電容的選取也是不可忽視的問題。放大器外圍的旁路電容，主要起到濾波和儲能的作用，當(dāng)電壓和電流較小時，旁路電容主要起到濾波作用，儲能作用往往被忽視，當(dāng)電壓和電流較大時，如本文設(shè)計的功放模塊，電壓為15V，電流接近1A，需要在放大器外圍設(shè)置儲能量較大的旁路電容，此時普通的貼片電容難以支持功放的穩(wěn)定工作，這里選用100μF的電解電容作為功放的儲能電容。

4 組件實現(xiàn)與測試結(jié)果

完成加工與組裝的功放模塊組件實物圖如下圖7所示，由驅(qū)放模塊和末級功放模塊組成。

功放模塊組件實測輸出功率和線性增益數(shù)據(jù)如表2所列，相應(yīng)的曲線如圖8、9所示，測試條件為射頻輸入14dBm，總的直流輸入為15.8V/1.07A。

圖8 W功放輸出功率曲線

5 結(jié)語

設(shè)計了一款W波段功率放大器模塊組件，在92GHz～96GHz頻率范圍內(nèi)，線性增益34.5dB以上，增益平坦度±0.7dB，輸出功率超過2瓦，在94.5GHz處輸出功率最大，約2.8瓦。隨著頻率的升高和輸出功率的增大，功率放大器的效率下降嚴(yán)重，該W波段功率放大器模塊組件效率為12.5%～16.5%。相對于目前常見的采用功率合成實現(xiàn)的W波段功放模塊，該放大模塊組件增益高、效率高，且總體尺寸僅 102cm3×44cm3×22.5cm3。