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射機不可缺少的關鍵部件，輸出功率的大小決定了整個系統的作用距離和抗干擾能力。在毫米波系統中，隨著頻率的升高，單個MMIC芯片的輸出功率已經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，將多個放大器單元組合在一起實現較大的功率輸出。

　　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現保密和抗干擾。

　　1 功率放大器的設計

　　1.1 技術指標要求

　　按照系統的基本要求，放大器主要技術指標：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

　　為滿足技術指標的要求，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 合成網絡設計

　　1.3.1 合成網絡總體方案

　　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，單器件也滿足不了技術指標。于是，采用多器件的功率合成技術是完成本項目的必然選擇，目前比較成熟的功率合成技術是采用端口駐波較好的兩路電橋，由多級級聯實現多路合成。設計的放大器即采用基于波導低損耗傳輸線結構的兩路二進制多級功率合成技術，該合成網絡由兩部分組成，功率驅動級和功率放大合成級，每部分包括3級二進制網絡，由波導分支線電橋和波導-微帶過渡組成。合成網絡框圖如圖2所示。

　　8路功率分配時，每一級網絡損耗計為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，FMM5715X輸入功率應>2 dBm，計入以上損耗后，折算到功率分配網絡輸入端的功率為12.4 dBm，顯然，驅動級由單路FMM5715X足以滿足這—要求。

　　當合成網絡中所有功率器件均處于飽和工作狀態時，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，8路合成輸出為17+7.07=24.07 dBm或255 mW，滿足技術指標要求。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/合成網絡

　　在毫米波固態集成功率合成技術的研究中，有一種兩路波導微帶集成功率分配/合成網絡，如圖3所示。該結構由兩路面對面微帶探針經波導E面插入，實現同相寬帶功率分配/合成，同時又完成波導與微帶間的過渡轉換。兩微帶線處于面對面位置，當集成固態功率器件時，可提供良好的散熱通道，保證器件可靠工作和性能發揮。為獲得足夠的固態功率器件安裝空間，適當增加合成網絡部分波導尺寸，為滿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。電磁場分析表明，在55～60 GHz范圍內，該結構損耗<2 dB，與單個波導微帶過渡結構相當;由于結構對稱原因，兩微帶端口具有良好的幅度和相位平衡特性。