V波段近距探測毫米波功率放大器設計

　　功率放大器是毫米波頻段發(fā)射機不可缺少的關(guān)鍵部件，輸出功率的大小決定了整個(gè)系統的作用距離和抗干擾能力。在毫米波系統中，隨著(zhù)頻率的升高，單個(gè)MMIC芯片的輸出功率已經(jīng)不能滿(mǎn)足實(shí)際的使用要求，尤其是非大氣窗口頻段，由于該頻段電磁波的傳輸受氧分子和水蒸氣分子吸收而衰減嚴重。一般應用于軍用保密工作及近距雷達探測、通訊系統中，相應的器件輸出功率也較小，因此，多采用功率合成的方法，將多個(gè)放大器單元組合在一起實(shí)現較大的功率輸出。

　　放大器工作在V波段，用于一種彈上近距探測系統，充分利用非大氣窗口波段的衰減特性實(shí)現保密和抗干擾。

　　1 功率放大器的設計

　　1.1 技術(shù)指標要求

　　按照系統的基本要求，放大器主要技術(shù)指標：工作帶寬2 GHz;輸出功率≥200 mW;增益20～25 dBm;輸入輸出口WR15。

　　1.2 功率器件的選取

　　為滿(mǎn)足技術(shù)指標的要求，選用工作頻帶較寬的三端FET功率放大器件。選取Eudyna Devices公司的FMM5715X作為功率合成單元，FMM5715X是端口阻抗內匹配為50 Ω的多管合成功率單片。工作頻率為57～64 GHz;工作溫度范圍：-45～+85℃，存儲溫度范圍-55～+125℃;最大允許輸入功率3 dBm;可單電源工作，在直流偏置3 V/150 mA條件下，60 GHz頻率處典型性能P1 dB為16 dBm，飽和功率17 dBm，小信號增益17 dB。特性參數如圖1所示。

　　1.3 合成網(wǎng)絡(luò )設計

　　1.3.1 合成網(wǎng)絡(luò )總體方案

　　在V波段，單管輸出功率遠遠達不到功率輸出需求，即使是采用多管合成的MMIC功率器件，單器件也滿(mǎn)足不了技術(shù)指標。于是，采用多器件的功率合成技術(shù)是完成本項目的必然選擇，目前比較成熟的功率合成技術(shù)是采用端口駐波較好的兩路電橋，由多級級聯(lián)實(shí)現多路合成。設計的放大器即采用基于波導低損耗傳輸線(xiàn)結構的兩路二進(jìn)制多級功率合成技術(shù)，該合成網(wǎng)絡(luò )由兩部分組成，功率驅動(dòng)級和功率放大合成級，每部分包括3級二進(jìn)制網(wǎng)絡(luò )，由波導分支線(xiàn)電橋和波導-微帶過(guò)渡組成。合成網(wǎng)絡(luò )框圖如圖2所示。

　　8路功率分配時(shí)，每一級網(wǎng)絡(luò )損耗計為0.3 dB，路徑損耗計為0.5 dB;若要使得所有合成時(shí)功率器件飽和工作，FMM5715X輸入功率應>2 dBm，計入以上損耗后，折算到功率分配網(wǎng)絡(luò )輸入端的功率為12.4 dBm，顯然，驅動(dòng)級由單路FMM5715X足以滿(mǎn)足這—要求。

　　當合成網(wǎng)絡(luò )中所有功率器件均處于飽和工作狀態(tài)時(shí)，對單級損耗為0.3 dB，3級功率合成，由損耗引起的合成效率為80%;若計合成支路間最大幅度和相位不平衡程度分別為3 dB、30°，引起相應合成效率為90%;對8路功率合成，總的合成效率為

　　當器件飽和工作時(shí)，8路合成輸出為17+7.07=24.07 dBm或255 mW，滿(mǎn)足技術(shù)指標要求。電路各部分損耗為4 8 dB，整個(gè)合成放大器小信號增益約為29.2 dB。

　　1.3.2 兩路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò )

　　在毫米波固態(tài)集成功率合成技術(shù)的研究中，有一種兩路波導微帶集成功率分配/合成網(wǎng)絡(luò )，如圖3所示。該結構由兩路面對面微帶探針經(jīng)波導E面插入，實(shí)現同相寬帶功率分配/合成，同時(shí)又完成波導與微帶間的過(guò)渡轉換。兩微帶線(xiàn)處于面對面位置，當集成固態(tài)功率器件時(shí)，可提供良好的散熱通道，保證器件可靠工作和性能發(fā)揮。為獲得足夠的固態(tài)功率器件安裝空間，適當增加合成網(wǎng)絡(luò )部分波導尺寸，為滿(mǎn)足標準波導端口條件，根據工作帶寬要求，選擇適當的波導阻抗變換段。電磁場(chǎng)分析表明，在55～60 GHz范圍內，該結構損耗<2 dB，與單個(gè)波導微帶過(guò)渡結構相當;由于結構對稱(chēng)原因，兩微帶端口具有良好的幅度和相位平衡特性。