G波段高輸出功率發(fā)射組件的設(shè)計

韓玉朝 孔令甲 李德才

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 河北省石家莊市 050051）

太赫茲波通常是指頻率在100 GHz～10 THz(波長為3mm～30μm)范圍內(nèi)的電磁波，位于電磁波譜上由電子學(xué)向光子學(xué)過渡的特殊位置，具有獨特的瞬態(tài)性、寬帶性、相干性和高穿透性，被稱為“電磁波譜的最后一段空隙”。近年來，隨著世界各國的廣泛關(guān)注和深入研究，太赫茲在醫(yī)療診斷、無損檢測、無線通信、信號快速處理以及雷達(dá)視頻成像等多方面得到廣泛應(yīng)用，并展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。太赫茲發(fā)射組件的最大輸出功率決定了整機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力、覆蓋半徑、探測精度以及定位準(zhǔn)確度等關(guān)鍵性能，是整體組件中非常關(guān)鍵的指標(biāo)。由于目前太赫茲單個器件的輸出功率能力有限，達(dá)不到系統(tǒng)級別的要求，這就需要在鏈路末端通過功率合成的方式將多路信號合成輸出，以滿足整體組件的需求。

本文介紹了一款基于太赫茲有源器件、頻率帶寬覆蓋3GHz的G波段高輸出功率發(fā)射組件。組件選用11.8GHz和17.2GHz兩個本振頻率點，X波段中頻信號的頻率帶寬為3GHz，通過兩次上變頻將頻率變換至G波段。整體組件內(nèi)部由放大、濾波、開關(guān)、兩次混頻及控制電路組成。在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)，發(fā)射組件的飽和輸出功率優(yōu)于25mW，帶內(nèi)的雜散抑制度優(yōu)于40dBc，帶外的雜散抑制度優(yōu)于60dBc，并且在脈沖周期20μs，占空比10%的條件下能夠正常工作。

1 發(fā)射組件整體設(shè)計

發(fā)射組件的整體鏈路包括開關(guān)、放大、濾波、倍頻、兩次混頻及控制電路。其原理框圖如圖1所示。X波段輸入信號依次經(jīng)開關(guān)、放大、一次混頻、濾波、二次混頻、放大后功分成4路，每路信號單獨放大后再功率合成輸出。

圖1：發(fā)射組件的整體原理圖

G波段發(fā)射組件在設(shè)計上存在許多難點和不穩(wěn)定因素，為了快速、精準(zhǔn)、全面的評估組件內(nèi)每一部分的特性，采用獨立模塊設(shè)計，將射頻鏈路的低頻部分和高頻部分按功能分開設(shè)計。各功能部分采用獨立腔體設(shè)計，保證信號的屏蔽性，評估完成后再整體組裝，其中低頻部分使用同軸電纜線互連，高頻部分采用波導(dǎo)管互連。整個組件中有3個部分的設(shè)計至關(guān)重要：二次混頻模塊、高頻腔體濾波器和功率放大模塊。

1.1 二次混頻模塊

整體組件由兩次混頻組成，其中第一次混頻是將頻率（X±1.5）GHz的中頻信號同頻率17.2GHz的本振信號上混頻至（Ka±1.5）GHz；第二次混頻選用諧波混頻，頻率11.8GHz的本振信號經(jīng)八倍頻后頻率為94.4GHz，諧波混頻將第一次混頻后的信號與本振信號頻率94.4GHz的二次諧波分量，即188.8GHz的信號上混頻，輸出頻率（G±1.5）GHz的信號。

二次混頻模塊的核心器件是諧波混頻芯片，裝配圖如圖2所示，本振輸入口采用標(biāo)準(zhǔn)的WR10波導(dǎo)，波導(dǎo)尺寸為2.54mm×1.27mm；射頻輸出口采用標(biāo)準(zhǔn)的WR4波導(dǎo)，波導(dǎo)尺寸為1.092 mm×0.546mm。

圖2：二次混頻模塊的裝配圖

在二次混頻模塊中，波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵設(shè)計。其轉(zhuǎn)換性能的優(yōu)劣將直接影響模塊的變頻損耗，進(jìn)而影響到后級輸入功率的大小。本設(shè)計中采用波導(dǎo)-微帶探針-微帶線的轉(zhuǎn)換形式，其結(jié)構(gòu)簡單、插入損耗小、裝配誤差相對不敏感，因此更利于模塊的設(shè)計。因石英具有不易變形，制作精度高等優(yōu)點，射頻輸出端口的頻率高，微帶探針采用厚度0.05mm，介電常數(shù)3.78的石英制作以減小寄生損耗；本振輸入端口的頻率相對較低，微帶探針采用厚度0.1mm，介電常數(shù)3.78的石英制作。微帶探針采用E面探針形式從波導(dǎo)寬邊的中心處探入，微帶中心距離波導(dǎo)短截面約1/4波長，此處入射波電壓和反射波電壓疊加到最大，獲得的能量最強，損耗最小。因波導(dǎo)TE10模式下微帶探針的阻抗同50Ω微帶線傳輸阻抗差別較大，需要在二者之間加入微帶線過渡進(jìn)行匹配，微帶探針的最終示意圖如圖3所示。

圖3：微帶探針示意圖

微帶探針的阻抗可通過下面公式計算：

Z=R+jX

其中：

其中a、b為矩形波導(dǎo)的長邊和短邊的長度，η為空氣波阻抗，k為傳播常數(shù)，β為矩形波導(dǎo)TE模式的相移常數(shù)，L為探針的長度，L為短路面的距離。圖3中L3、W3為匹配段的長度和寬度，可將長L1、寬W1的微帶探針匹配到寬度W2的標(biāo)準(zhǔn)50Ω傳輸線。

二次混頻模塊包括WR4、WR10兩種波導(dǎo)-微帶探針-微帶轉(zhuǎn)換，根據(jù)上述詳細(xì)分析，可得出兩種轉(zhuǎn)換的最佳尺寸取值，如表1、表2所示。

表1：射頻端口WR4尺寸表

表2：本振端口WR10尺寸表

兩種模型除尺寸外，建模方式基本一致，此處只取WR4模型進(jìn)行分析。根據(jù)上述理論分析，建立如下模型進(jìn)行仿真和優(yōu)化，如圖4所示。

圖4：WR4波導(dǎo)探針轉(zhuǎn)換仿真模型

仿真結(jié)果如圖5所示，可看出在目標(biāo)頻帶范圍內(nèi)，回波損耗優(yōu)于-20dB，插入損耗優(yōu)于0.2dB，可以滿足實際工程應(yīng)用。

圖5：WR4波導(dǎo)探針轉(zhuǎn)換仿真結(jié)果

1.2 高頻濾波器

混頻器是非線性器件，信號經(jīng)過時會產(chǎn)生多余的交調(diào)分量，而且由于混頻器的隔離度有限，信號經(jīng)過兩次混頻時，會產(chǎn)生很多不確定的雜波信號，如果不能有效的抑制這些無用信號，整個系統(tǒng)將會受到很大的影響。

根據(jù)實際需求，考慮工程加工的精度及成本控制，建立了一款4階的太赫茲腔體濾波器，示意圖如圖6所示。濾波器由輸入輸出波導(dǎo)和4個諧振腔組成，輸入輸出波導(dǎo)腔采用WR4標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，即圖6中的a取1.1mm。整體結(jié)構(gòu)基于中心線左右對稱。

圖6：腔體濾波器示意圖

根據(jù)切比雪夫原理分析，可計算出腔體濾波器各尺寸的值，如表3所示。

表3：腔體濾波器尺寸表

根據(jù)上述分析及表3中腔體濾波器的尺寸，建立如下模型進(jìn)行仿真并優(yōu)化，如圖7所示。

圖7：腔體濾波器模型

優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖8所示，從圖中可看出，在目標(biāo)頻帶范圍內(nèi)，回波損耗優(yōu)于-15dB，插入損耗優(yōu)于0.3dB，對本振二次諧波的頻率點的抑制度優(yōu)于60dBc，能有效濾除混頻雜波，能夠滿足本次設(shè)計的應(yīng)用。

圖8：腔體濾波器仿真結(jié)果

1.3 功率放大模塊

功率放大模塊是發(fā)射組件中非常關(guān)鍵的核心器件，其指標(biāo)的優(yōu)劣對整體系統(tǒng)的性能有著直接、關(guān)鍵的影響。太赫茲頻段的電路設(shè)計對半導(dǎo)體加工工藝和器件仿真模型的準(zhǔn)確度要求非常高，目前國內(nèi)晶體管柵長度的工藝極限為90nm，功率放大芯片內(nèi)部晶體管的增益和模型準(zhǔn)確性已經(jīng)成為功放的設(shè)計瓶頸。在當(dāng)前階段，受工藝加工能力、高頻寄生電容電阻和柵控能力等因素的限制，國內(nèi)G波段功率放大芯片相對較少，基本處于初級發(fā)展階段，飽和輸出功率約12dBm左右，因此單個器件根本無法滿足組件對輸出功率的需求。本次設(shè)計選用集成天線探針的功率放大芯片，比傳統(tǒng)的石英、陶瓷探針具有更好的一致性和可控性，同時也避免了裝配、鍵合等工序帶入的高頻效應(yīng)。芯片的小信號增益約18dB，飽和輸出功率12dBm，采用四通道功放模塊進(jìn)行兩級功率分配與合成，兩級功分器均采用波導(dǎo)形式的3dB耦合器，根據(jù)仿真分析和實際加工經(jīng)驗，其回波損耗優(yōu)于-15dB，總插入損耗優(yōu)于7.5dB，按此可計算出最終發(fā)射組件的飽和功率應(yīng)優(yōu)于15dBm，即30mW。因此，采用四通道進(jìn)行兩級功率合成的設(shè)計思路，可達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。四通道功率放大器的裝配圖如圖9所示。

圖9：四通道功放裝配圖

四通道功率放大器由四路輸入輸出端口、功率放大芯片和供電電路組成，四路通道完全一致。輸入輸出端口采用WR4標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，通過螺釘固定與功率分配合成模塊連接。

2 發(fā)射組件實際產(chǎn)品與測試

按照上述詳細(xì)的設(shè)計思路與仿真結(jié)果，將發(fā)射組件分成12個小模塊加工，低頻模塊與高頻模塊按功能單獨加工，保證了信號之間的屏蔽性。各模塊單獨評估測試完成后進(jìn)行整體組裝再測試，整體發(fā)射組件的組裝效果圖如圖10所示。

圖10：發(fā)射組件整體裝配圖

利用信號源輸入本振和中頻信號，直流穩(wěn)壓電壓給組件供電，用高頻功率計直接測試發(fā)射組件的輸出功率，結(jié)果如圖11所示；因條件限制，無法直接測試組件的雜波抑制，利用上下變頻搭建測試系統(tǒng)，將高頻信號下變頻到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠測試的頻段進(jìn)行測試，結(jié)果如圖12所示；用函數(shù)發(fā)生器輸出脈沖周期20μs，脈沖寬度2μs的方波信號，用示波器同步監(jiān)測函數(shù)發(fā)生器輸出的信號和發(fā)射組件的輸出信號，判斷是否可以正常工作，測試結(jié)果如圖13所示。

圖11：發(fā)射組件的輸出功率

圖12：發(fā)射組件的帶內(nèi)雜散

圖13：發(fā)射組件在脈沖下正常工作

由以上測試結(jié)果可知：發(fā)射組件在目標(biāo)頻帶內(nèi)，輸出功率優(yōu)于14dBm（25.2mW）；帶內(nèi)雜散抑制度優(yōu)于42dBc，因帶外雜散無法直接測試，通過仿真得出帶外雜散抑制度優(yōu)于60dBc；在脈沖周期20μs，占空比10%的條件下能夠正常工作，整體組件達(dá)到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

3 結(jié)論

本文介紹并制作了一款G波段高輸出功率發(fā)射組件，對其內(nèi)部的主要模塊和關(guān)鍵技術(shù)做了詳細(xì)介紹。通過對組件的全面測試，在目標(biāo)頻帶內(nèi)，實現(xiàn)了輸出功率優(yōu)于25mW，帶內(nèi)雜散抑制度優(yōu)于40dBc的設(shè)計目標(biāo)。G波段高輸出功率發(fā)射組件的研制成功，對同頻段甚至更高頻段的設(shè)計具有積極的推動作用。