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[摘 要]毫米波系统已广泛应用于军事通信，作为核心部件的毫米波发射机，其输出功率为衡量系统性能指标的重要因素。本文运用混合集成的方法设计了一种Ka频段固态功率放大器，测试结果表明，该放大器在f0±1.5 GHz的工作频带内，增益大于35dB，P-1为30 dBm，达到设计要求。
[关键词]Ka频段 混合集成 放大器
中图分类号：TN722.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0008-01
1.固态功率放大器的设计
固态功率放大器的设计指标为：工作频段f0±1.5 GHz；增益G≥35 dB；P-1≥32 dBm；杂散小于等于50 dBc；输入输出接口为BJ320标准波导。
1.1 方案选择
考虑到Ka频段频率源的输出功率较低以及实际链路中的插入损耗等，根据后级毫米波驱动行波管的增益情况，本固态驱动放大器的设计采用两级级联方案实现。
经过对目前毫米波MMIC芯片进行调研，第一级放大采用AMMC5040芯片，功放芯片采用XP1027实现。
1.2 过渡设计与仿真
对此方案中的过渡部分，采用对极鳍线来实现，波导-微带对极鳍线过渡器的结构如图1所示。
在设计中需要特别注意的是由于鳍线半圆切口区会在Ka频段的中心位置出现谐振现象，因此通过优化设计鳍线中的巴伦来消除带内谐振点就显得尤为重要。
对极鳍线过渡段采用了余弦平方的过渡形式，其设计公式为：
式中：w为50Ω微带线的宽度；z为鳍线传输线的纵向坐标；b为波导高度；L为渐变过渡段的长度。
渐变过渡段的长度L不能过短，因为过短时，端口的反射系数较大；但也不能过长，若过长时，电路的损耗较大。只能采取折衷的办法，一般L取（1～1.5）λ0左右（其中λ0为TE10模的波导波长）。图2为利用高频仿真软件CST建立的模型和仿真结果，可以看出，在中心频率处，插入损耗小于0.1 dB，回波损耗大于20 dB，满足设计要求。
1.3 直流偏置
在放大器的设计中，直流偏置电路不仅起到提供放大器正常工作时所需的工作电压、电流的作用，而且还起到隔离交流信号的作用。为了充分发挥MMIC功率单片的性能，其直流工作点的选择必须合理与稳定。由于GaAsMMIC功率芯片是一种电压控制器件，其毫米波性能对其工作点非常敏感，因此直流工作点的选择应由所设计的放大器所要达到的技术指标来决定。MMIC的直流供电电路的实现主要采用λg/4的高阻抗线和芯片电容共同构成，电源的连接通过直径为1.0mil的金丝来实现。连接金丝的一端焊接在MMIC的栅极或漏极，另外一端焊接在100 pF的CMOS芯片电容上，再通过金丝将其焊接在外接的Vg，Vd的偏置电路上。连接金丝可以等效为电感L，它与芯片CMOS电容组成一个LC电源滤波电路，在一定程度上，可以防止电路自激。
2.电路实现、测试及结果分析
2.1 电路实现
放大器所需装配的MMIC功率单片本身非常脆弱，因而在加工装配的过程中更需要特别注意。MMIC功率单片为静电敏感器件，在操作时要有静电预防措施，如带防静电护腕、工作台可靠接地等。放大器的输入输出连接采用金丝引线键合，馈电和信号输入引线采用直径为1.0mil的金丝，长度尽可能短，以减小寄生参数对电路的影响。对于单片的装配，采用共晶焊接技术，它的特点是具有机械强度高、热阻小、稳定性好和可靠性高等优点。电路装配采用导电胶粘接，保证电路下层与金属腔体良好接触。应用微组装工艺分别装配放大器一、二，实际正面电路如图3所示。
2.2 测试
图4为测试原理框图，中心频率f0处，输入功率为-5 dBm时，得到了33 dBm的功率。测试时需注意此放大器的输出功率为瓦级，必须经过耦合器或者衰减器后才能接功率计等仪器，否则将会烧坏功率计的检波设备。表1列出了部分测试结果。
2.3 结果分析
从测试结果看出，考虑定向耦合器的耦合系数以及校准后的路上损耗，在工作频带内的饱和输出功率均已达到30 dBm。但是平坦度特性不是很好，分析其可能的原因有两个：其一应该是两级放大器级联后的匹配未能做到最好，另一个原因是两级放大器在不同的频点处线性度不一致，导致增益、功率的不平坦。
3.结论
设计的Ka频段固态功率放大器，测试结果表明，该放大器在f0±1.5GHz的工作频带内，增益大于35 dB，P-1为30dBm，达到设计要求。
参考文献
[1] 甘仲民，张更新，王华力.毫米波通信技术与系统[M].北京：电子工业出版社，2003.
[2] 李桂萍，喻梦霞.K频段高增益放大器[C]//2007年全国微波毫米波会议.2007：661-663.
[3] 郭桂美，邓磊，唐高弟.Ka波段低噪声放大器的研制[J].信息与电子工程，2008，6（4）：245-248.
[关键词]Ka频段 混合集成 放大器
中图分类号：TN722.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0008-01
1.固态功率放大器的设计
固态功率放大器的设计指标为：工作频段f0±1.5 GHz；增益G≥35 dB；P-1≥32 dBm；杂散小于等于50 dBc；输入输出接口为BJ320标准波导。
1.1 方案选择
考虑到Ka频段频率源的输出功率较低以及实际链路中的插入损耗等，根据后级毫米波驱动行波管的增益情况，本固态驱动放大器的设计采用两级级联方案实现。
经过对目前毫米波MMIC芯片进行调研，第一级放大采用AMMC5040芯片，功放芯片采用XP1027实现。
1.2 过渡设计与仿真
对此方案中的过渡部分，采用对极鳍线来实现，波导-微带对极鳍线过渡器的结构如图1所示。
在设计中需要特别注意的是由于鳍线半圆切口区会在Ka频段的中心位置出现谐振现象，因此通过优化设计鳍线中的巴伦来消除带内谐振点就显得尤为重要。
对极鳍线过渡段采用了余弦平方的过渡形式，其设计公式为：
式中：w为50Ω微带线的宽度；z为鳍线传输线的纵向坐标；b为波导高度；L为渐变过渡段的长度。
渐变过渡段的长度L不能过短，因为过短时，端口的反射系数较大；但也不能过长，若过长时，电路的损耗较大。只能采取折衷的办法，一般L取（1～1.5）λ0左右（其中λ0为TE10模的波导波长）。图2为利用高频仿真软件CST建立的模型和仿真结果，可以看出，在中心频率处，插入损耗小于0.1 dB，回波损耗大于20 dB，满足设计要求。
1.3 直流偏置
在放大器的设计中，直流偏置电路不仅起到提供放大器正常工作时所需的工作电压、电流的作用，而且还起到隔离交流信号的作用。为了充分发挥MMIC功率单片的性能，其直流工作点的选择必须合理与稳定。由于GaAsMMIC功率芯片是一种电压控制器件，其毫米波性能对其工作点非常敏感，因此直流工作点的选择应由所设计的放大器所要达到的技术指标来决定。MMIC的直流供电电路的实现主要采用λg/4的高阻抗线和芯片电容共同构成，电源的连接通过直径为1.0mil的金丝来实现。连接金丝的一端焊接在MMIC的栅极或漏极，另外一端焊接在100 pF的CMOS芯片电容上，再通过金丝将其焊接在外接的Vg，Vd的偏置电路上。连接金丝可以等效为电感L，它与芯片CMOS电容组成一个LC电源滤波电路，在一定程度上，可以防止电路自激。
2.电路实现、测试及结果分析
2.1 电路实现
放大器所需装配的MMIC功率单片本身非常脆弱，因而在加工装配的过程中更需要特别注意。MMIC功率单片为静电敏感器件，在操作时要有静电预防措施，如带防静电护腕、工作台可靠接地等。放大器的输入输出连接采用金丝引线键合，馈电和信号输入引线采用直径为1.0mil的金丝，长度尽可能短，以减小寄生参数对电路的影响。对于单片的装配，采用共晶焊接技术，它的特点是具有机械强度高、热阻小、稳定性好和可靠性高等优点。电路装配采用导电胶粘接，保证电路下层与金属腔体良好接触。应用微组装工艺分别装配放大器一、二，实际正面电路如图3所示。
2.2 测试
图4为测试原理框图，中心频率f0处，输入功率为-5 dBm时，得到了33 dBm的功率。测试时需注意此放大器的输出功率为瓦级，必须经过耦合器或者衰减器后才能接功率计等仪器，否则将会烧坏功率计的检波设备。表1列出了部分测试结果。
2.3 结果分析
从测试结果看出，考虑定向耦合器的耦合系数以及校准后的路上损耗，在工作频带内的饱和输出功率均已达到30 dBm。但是平坦度特性不是很好，分析其可能的原因有两个：其一应该是两级放大器级联后的匹配未能做到最好，另一个原因是两级放大器在不同的频点处线性度不一致，导致增益、功率的不平坦。
3.结论
设计的Ka频段固态功率放大器，测试结果表明，该放大器在f0±1.5GHz的工作频带内，增益大于35 dB，P-1为30dBm，达到设计要求。
参考文献
[1] 甘仲民，张更新，王华力.毫米波通信技术与系统[M].北京：电子工业出版社，2003.
[2] 李桂萍，喻梦霞.K频段高增益放大器[C]//2007年全国微波毫米波会议.2007：661-663.
[3] 郭桂美，邓磊，唐高弟.Ka波段低噪声放大器的研制[J].信息与电子工程，2008，6（4）：245-248.