Ku波段30W脈沖微波功率放大器模塊

1、第29卷第11期2008年11月半導體學報JOURNALOFSEMICONDUCTORSVol.29No.11Nov.,2008Ku波段30W脈沖微波功率放大器模塊陳高鵬 陳曉娟劉新宇李濱(中國科學院微電子研究所,北京100029)摘要:報道了Ku波段30W脈沖微波功率放大器模塊的研制.模塊的微波放大鏈路由5級固態(tài)功率器件級聯(lián)構(gòu)成,采用新穎的雙層腔體結(jié)構(gòu),消除了低頻電路與高頻電路的互擾.針對Ku波段內(nèi)匹配MESFET設計了雙段式偏置電路,有效抑制了低頻振蕩.在脈沖重復頻率3kHz,占空比10%下,模塊在13151410GHz工作頻段內(nèi)的功率增益GP44dB,輸出脈沖峰值功率Ppk30W,總效率

2、13%(A類放大狀態(tài)).關鍵詞:Ku波段;微波功率放大器;模塊;脈沖模式EEACC:1350F中圖分類號:TN72211+6文獻標識碼:A文章編號:()1121引言Ku達、.隨著、大功率、高效率和高,對于國防及民用需求具有重要意義1.國外研究機構(gòu)利用MMIC及高密度封裝等先進技術,在Ku波段固態(tài)功率放大器模塊的研究領域,已經(jīng)取得了大量優(yōu)秀的研究成果2,3.受限于微波固態(tài)功率器件及封裝技術的發(fā)展,國內(nèi)在Ku波段固態(tài)功率放大器模塊的研究上處于較為落后的狀態(tài),輸出功率、效率以及體積等指標都有待進一步提高4,5.、低溫可靠性測試,模塊在1315工作頻段內(nèi)性能優(yōu)良.2脈沖微波功率放大器模塊設計2.1系統(tǒng)

3、設計采用真空電子器件的微波功率放大模塊具有比固態(tài)器件更高的輸出功率和效率,但是其較大的重量及體積,限制了其在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的應用.小功率Ku波段微波功率放大器模塊的研制,可以采用微波單片集成電路或混合集成電路2;采用波導和空間功率合成等技術的大功率模塊,體積和重量仍然受到限制.微波功率放大器模塊對工作效率的要求非常嚴格,尤其是在星載和機載應用中;同時高頻電路與低頻電路間的互擾、低頻振蕩以及可靠性設計6也是微波功率放大器模塊設計中的難點和重點.本文報道的Ku波段脈沖微波功率放大器模塊采用結(jié)構(gòu)簡單并且可靠性高的平面微帶線完成微波鏈路,有效減小了重量和體積.在機械結(jié)構(gòu)上采用新穎的雙層腔體設計,將微波

4、電路和脈沖控制電路、偏置電路等進行隔離,消除了高頻和低頻電路的相互影響并且提高了模塊的可靠性.針對內(nèi)匹配微波功率器件,設計了可以提高穩(wěn)定性、寬帶性能、低頻振蕩抑制能力及諧波抑制能力的偏置電路.依據(jù)實際工程應用指標,放大器模塊在功率和體積、效率與線性度等方面實現(xiàn)了靈活的折中通信作者.Email:chen.gaopeng2008204223收到,2008207222定稿為滿足實際應用需求,Ku波段30W脈沖微波功率放大器模塊要求實現(xiàn)如表1所示的設計指標.Ku波段30W脈沖微波功率放大器模塊的系統(tǒng)設計如圖1所示.微波放大鏈路由三級組成:驅(qū)動級為30dB增益的GaAs單片集成電路;中間級為3個內(nèi)匹配G

5、aAsMESFET功率管,總增益為10dB;輸出級為輸出功率30W的內(nèi)匹配GaAsMESFET功率管,其增益為6dB.所采用功率器件均為高可靠性、技術成熟的商用產(chǎn)品.機械結(jié)構(gòu)設計上采用新穎的上下兩層腔體結(jié)構(gòu),將安裝在上層腔體的高頻電路(包括微波放大鏈路及偏置電路等)與安裝在下層腔體的低頻電路在物理空間上進行分隔.兩者之間通過安裝在腔體壁上的穿心電容進行電氣連接,這種結(jié)構(gòu)可以有效降低低頻電路對敏感高頻電路的干擾,并且方便測試及調(diào)試排錯.在上層腔體表1Ku波段脈沖微波功率放大器模塊設計指標Table1DesignspecificationofKubandpulsedmicrowavepoweram

6、plifiermoduleParameterFrequencyrangePeakoutputpowerPulserepetitionfrequencyDutycycleGainPowersupplyTotalefficiencyLimit13151410GHz30W3kHz10%44dB12V12%2008中國電子學會2282半導體學報第29卷圖1Ku波段30WFig.1SystemdesignofKuband30Wpulsed設計中,安裝高頻電路板的腔體寬度D須滿足:,其中U2則,波導型傳播,412,厚度H=r=201508mm的玻璃纖維聚四氟乙烯材料.根據(jù)公式Z0=7、輸出級微波功率管的柵

7、極偏TTL脈沖控制信號的調(diào)制,與輸入的脈沖微波信號嵌套同步,使微波功率放大器工作在脈沖模式.在窄脈沖模式下,模塊的輸出功率通常比連續(xù)波模式高015到1dB2.2.2內(nèi)匹配微波功率管的偏置電路設計+1144411393+lneffHH3征阻抗為Z0的微帶線寬度W,其中eff為基板有效介計算得到特=37618為自由空90間波阻抗.基于上述計算結(jié)果,并且考慮色散效應對微帶線特征阻抗的影響、微帶線不連續(xù)性對電路幅頻特性5的影響以及基板的介質(zhì)損耗等非理想因素,利用ADS軟件中的Momentum仿真器進行了優(yōu)化仿真和修正補償,如表2所示.微波電路的布局要盡量靠近輸出端口,可盡量減小基板介質(zhì)損耗對模塊功率和

8、效率的影響.為避免接地不良形成的寄生參數(shù)導致正反饋從而產(chǎn)生自激振蕩,微波電路基板通過導電銀漿粘結(jié)在上層腔體上,并且通過足夠的螺釘固定,同時也獲得了良好的散熱通路.在下層腔體中放置采用FR4基板的低頻電路板,對直流供電電壓±12V進行DC2DC變換;對輸入的TTL脈沖控制信號進行處理,完成脈沖調(diào)制和微波功率管上電時序保護及輸入微波信號的時序嵌套.從而,電常數(shù),H為基板厚度,Zf=表2微帶線寬度修正補償Table2CorrectionandcompensationofmicrostriplineswidthCharacteristicimpedance/507090Widthbefore

9、C&C/mmWidthafterC&C/mm115501890155115701930152偏置電路對微波功率管提供穩(wěn)定的直流偏置,同時還應確保偏置電路與微波鏈路互不影響:微波鏈路中傳輸?shù)奈⒉芰客ㄟ^偏置網(wǎng)絡的對外泄露要盡可能小;偏置網(wǎng)絡的插入不會使微波功率管進入不穩(wěn)定工作區(qū)域.驅(qū)動級的微波單片集成電路有單獨的偏置管腳,只需在偏置管腳上直接加入相應的直流電壓即可.中間級和輸出級為內(nèi)匹配GaAsMESFET器件,偏置管腳與微波輸入、輸出管腳共用,偏置電路設計較為復雜.圖2為設計的Ku波段內(nèi)匹配GaAsMESFET的偏置電路.圖中所示Z0為50微帶線,是微波放大鏈路的主線.Z1,Z

10、2和Z3為高特征阻抗(大于50)的四分之一波長短路線(SCSS),與扇形開路線(OCSS)CX一起構(gòu)成微帶線阻抗變換網(wǎng)絡,使偏置電路對于微波信號及其奇次諧波為開路,而對于偶次諧波為短路.有效阻止了工作頻段內(nèi)微波信號通過偏置網(wǎng)絡的泄漏,同時將偶次諧波濾除并保留所有奇次諧波,有利于提高微波功率放大器模塊的線性度及輸出功率8.漏極偏置使用了兩段SCSS和OCSS,相比使用單段SCSS和OCSS,可以拓展電路的工作帶寬.圖3所示為ADS軟件仿真兩段式偏置電路與單段式偏置電路的插入損耗對比.電路中采用的SCSS和OCSS的幾何尺寸,通過ADS軟件仿真優(yōu)化得到.柵極串聯(lián)電阻R1和漏極并聯(lián)電阻R2一般取為5

11、0,用來消除微波功率管輸入輸出端口的實數(shù)負阻抗,使電路穩(wěn)定9.電容C1C3為射頻旁路電容,與CX一起起到阻抗變換和濾除射頻干擾的作用;C4C6作為視頻旁路電容濾除偏置電源紋波,使偏置電壓平穩(wěn).由于采用柵極脈沖調(diào)制方式,柵極旁路電容的取值要盡可能小,否則將使模塊的發(fā)射脈沖上升沿和下降沿第11期陳高鵬等:Ku波段30W脈沖微波功率放大器模塊2283圖2Ku波段內(nèi)匹配GaAsFig.2BiascircuitforKuband圖3兩段SCSS和OCSS偏置與單段SCSS和OCSS偏置插入損耗對比Fig.3InsertlosscomparisonofdoubleSCSS&OCSSandsin2g

12、leSCSS&OCSSbias圖4Ku波段脈沖微波功率放大器模塊照片變差.穿心電容C7連接上層腔體的微波電路與下層腔體的低頻電路,同時也起到抑制低頻振蕩的作用.電容C0為微波鏈路主線上的隔直流電容,應該選用自諧振頻率高于工作頻段的微波電容,減小它引入的插入損耗.Fig.4PhotographofKubandpulsedmicrowavepowerampli2fiermodule3.2脈沖功率及可靠性測試3測試結(jié)果與討論根據(jù)上述設計方案,制作的Ku波段30W脈沖微波功率放大器模塊如圖4所示,其有效體積為200mm×100mm×20mm,重量為018kg,完全滿足應用需

13、要.3.1小信號增益測試脈沖功率測試的方法及結(jié)果如圖6所示.微波信號源與功率放大器模塊都受到由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的TTL控制脈沖調(diào)制,并且在時序上嵌套同步;模塊的輸出信號經(jīng)過射頻耦合器分為兩路分別輸入脈沖功率計和頻在連續(xù)波工作模式下測試得到如圖5所示的小信號增益特性.可以看到,連續(xù)波模式下模塊在13151410GHz工作頻段內(nèi)的小信號增益G44dB,增益不平坦度為G<±015dB.在連續(xù)波模式下,微波功率管都處于連續(xù)工作狀態(tài),功率放大器模塊消耗的電流很大:1817A+12V.在測試過程中要妥善設置模塊的散熱路徑,并盡可能縮短操作時間.圖5Ku波段微波功率放大器模塊的小信號增益Fig

14、.5SmallsignalgainofKubandmicrowavepoweramplifiermodule2284半導體學報第29卷類放大狀態(tài)時,模塊消耗的平均電流將大幅降低,在犧牲一定線性度的情況下可以獲得更高的工作效率.4結(jié)論本文報道了Ku波段30W脈沖微波功率放大器模塊的研制.設計了新穎的雙層腔體結(jié)構(gòu)和靈活的高性能偏置電路.經(jīng)過完整的小信號增益、脈沖功率和高低溫可靠性測試,模塊在13151410GHz工作頻段內(nèi)功率增益GP44dB,輸出脈沖峰值功率Ppk30W,總效率13%(脈沖重復頻率3kHz,10%,A類放大狀態(tài)),圖61Dezhang.Microwavepowermodule:T

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20、際應用要求10.還進行了高、低溫環(huán)境可靠性實驗,在環(huán)境溫度為+65和-40條件下,分別保溫4h然后分別通電工作并測試;在環(huán)境溫度為+75和-45條件下,分別保溫貯存48h和24h,恢復常溫后分別通電工作并測試.圖5中三角形線條所示為高溫工作環(huán)境下模塊的脈沖功率測試結(jié)果.在高溫和低溫條件下,模塊的線性增益都降低約012dB,但是飽和輸出功率仍然可以達到44181dBm.實驗證明,研制的Ku波段30W脈沖微波功率放大器模塊可以在惡劣環(huán)境溫度中正常工作,可靠性較高.在上述測試中,模塊中各級功率管都工作在A類放大狀態(tài),保證了比較高的線性度.由于設計了非常靈活的偏置電路,可以方便地改變各級功率管的工作狀

21、態(tài),以適應各種不同的應用需求.當工作在AB類或B第11期陳高鵬等:Ku波段30W脈沖微波功率放大器模塊2285AKuBand30WPulsedMicrowavePowerAmplifierModuleChenGaopeng,ChenXiaojuan,LiuXinyu,andLiBin(InstituteofMicroelectronics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China)Abstract:Thispaperreportsthedesignandperformanceofapulsedmicrowavepoweramplifiermodulethatusesmicrostriplinesandfive2stagesolid2s