功率放大器是毫米波頻段發(fā)射機(jī)不可缺少的關(guān)鍵部件，輸出功率的大小決定了整個系統(tǒng)的作用距離和抗干擾能力。在毫米波系統(tǒng)中，隨著頻率的升高，單個MMIC芯片的輸出功率已經(jīng)不能滿足實際的使用要求，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(yán)重。一般應(yīng)用于軍用保密工作及近距雷達(dá)探測、通訊系統(tǒng)中，相應(yīng)的器件輸出功率也較小，因此，多采用功率合成的方法，將多個放大器單元組合在一起實現(xiàn)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(tǒng)，充分利用非大氣窗口波段的衰減特性實現(xiàn)保密和抗干擾。
1 功率放大器的設(shè)計
1．1 技術(shù)指標(biāo)要求
按照系統(tǒng)的基本要求，放大器主要技術(shù)指標(biāo)：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
為滿足技術(shù)指標(biāo)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，F(xiàn)MM5715X是端口阻抗內(nèi)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(shù)如圖1所示。
1．3 合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到功率輸出需求，即使是采用多管合成的MMIC功率器件，單器件也滿足不了技術(shù)指標(biāo)。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)實現(xiàn)多路合成。設(shè)計的放大器即采用基于波導(dǎo)低損耗傳輸線結(jié)構(gòu)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(qū)動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(dǎo)分支線電橋和波導(dǎo)-微帶過渡組成。合成網(wǎng)絡(luò)框圖如圖2所示。
8路功率分配時，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功率器件飽和工作，F(xiàn)MM5715X輸入功率應(yīng)>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(qū)動級由單路FMM5715X足以滿足這—要求。
當(dāng)合成網(wǎng)絡(luò)中所有功率器件均處于飽和工作狀態(tài)時，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(yīng)合成效率為90％；對8路功率合成，總的合成效率為
當(dāng)器件飽和工作時，8路合成輸出為17+7．07=24.07 dBm或255 mW，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。電路各部分損耗為4 8 dB，整個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(dǎo)微帶集成功率分配／合成網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。該結(jié)構(gòu)由兩路面對面微帶探針經(jīng)波導(dǎo)E面插入，實現(xiàn)同相寬帶功率分配／合成，同時又完成波導(dǎo)與微帶間的過渡轉(zhuǎn)換。兩微帶線處于面對面位置，當(dāng)集成固態(tài)功率器件時，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(dāng)增加合成網(wǎng)絡(luò)部分波導(dǎo)尺寸，為滿足標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)端口條件，根據(jù)工作帶寬要求，選擇適當(dāng)?shù)牟▽?dǎo)阻抗變換段。電磁場分析表明，在55～60 GHz范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)損耗<2 dB，與單個波導(dǎo)微帶過渡結(jié)構(gòu)相當(dāng)；由于結(jié)構(gòu)對稱原因，兩微帶端口具有良好的幅度和相位平衡特性。
1．3．3 V波段3 dB波導(dǎo)分支電橋
兩級以上的功率合成需要建立在波導(dǎo)電橋基礎(chǔ)上，電橋的低損耗、寬頻帶以及良好的端口駐波和支路隔離是穩(wěn)定可靠的功率合成技術(shù)前提。由于本項目要求的相對帶寬較窄，采用3個分支節(jié)就能達(dá)到指標(biāo)要求。結(jié)構(gòu)中，考慮到電橋加工可實現(xiàn)性，電橋波導(dǎo)截面尺寸適當(dāng)增加，同時將波導(dǎo)分支節(jié)的耦合孔長度減小，寬度增加，使得所有加工尺寸>1 mm，減小機(jī)械加工難度，提高相應(yīng)誤差容量，降低加工成本。這種結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，降低了合成網(wǎng)絡(luò)中分支電橋與波導(dǎo)-微帶三端口網(wǎng)絡(luò)的連接不連續(xù)性大小。
圖4為3 dB波導(dǎo)分支電橋模型及電磁場分析結(jié)果。電磁場分析結(jié)果表明：該電橋在頻率55～60 GHz范圍內(nèi)幅度不平衡度<0．5 dB，兩輸出端口隔離度>15 dB，回波損耗<-16 dB；整個頻帶內(nèi)，兩輸出口相差為恒定的90°。
圖5為以上兩種電橋級聯(lián)實現(xiàn)的毫米波波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的微帶集成兩級四路功率合成／分配網(wǎng)絡(luò)，該結(jié)構(gòu)采用一個分支波導(dǎo)作為輸入，利用這個分支波導(dǎo)來實現(xiàn)功率的第一級二等分，然后在分支波導(dǎo)的兩邊關(guān)于中心對稱的位置上各開兩個槽，利用微帶探針將能量耦合出來。輸入能量的4等分即可實現(xiàn)，分配網(wǎng)絡(luò)同時可作為合成網(wǎng)絡(luò)使用。電磁場仿真結(jié)果表明：在要求的頻帶范圍內(nèi)，四路輸出端口不平衡度<0．5 dB，輸入端口回波損耗<-15 dB；整個頻帶內(nèi)，2與3端口(或4與5端口)具有理想的同相位特性，2與4或5(或3與4或5)兩輸出口相差為恒定的90°。
2 實物及測試
V波段功率放大器的實物如圖6所示。在實驗室對功放的性能進(jìn)行測試，功率放大器的輸入為0 dBm，實際的功率輸出如圖7所示，在工作頻帶內(nèi)，輸出功率帶內(nèi)波動<0．5dB。
3 結(jié)束語
對于彈上近距探測系統(tǒng)應(yīng)用來說，一般需要幾百mW的峰值輸出功率，采用功率合成方法實現(xiàn)了250 mW的V波段功率放大器的設(shè)計，實際設(shè)計結(jié)果表明，功率放大器的體積、功耗等均達(dá)到系統(tǒng)總體的要求，并具有較好的散熱性效果，為V波段探測系統(tǒng)總體方案的實現(xiàn)以及工程應(yīng)用提供了技術(shù)保證。