0 引言
單片微波集成電路(MMIC)是在同一塊半導(dǎo)體襯底上,,采用一系列半導(dǎo)體工藝方法,將有源與無(wú)源器件連接起來(lái)構(gòu)成的微波電路,。這種電路具有集成度高,、體積小、重量輕,、可靠性高,、寄生效應(yīng)低等優(yōu)點(diǎn)[1]。
當(dāng)前MMIC的襯底材料以第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN為典型代表,。這種半導(dǎo)體材料耐高溫,、高壓,電子遷移率高,,工作溫度范圍大,,微波傳輸性能好。因此GaN基的功放管一般具備更高的工作電壓,、更大的輸出功率以及更高的功率輸出效率,。對(duì)此類(lèi)功放管的研究與應(yīng)用能夠整體提高微波組件的性能與穩(wěn)定性,為電子對(duì)抗,、制約通信,、雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)革命性的變化。
近年來(lái)以GaN為襯底的微波功放管取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,。國(guó)外TriQuint和東芝公司先后推出大功率器件,,東芝公司有X波段50 W的芯片批產(chǎn)。國(guó)內(nèi)X波段50 W芯片已經(jīng)有試驗(yàn)件,,相信不久就會(huì)進(jìn)入批產(chǎn)階段,。
本文以X波段50 W GaN功放管的應(yīng)用為基礎(chǔ)[2],設(shè)計(jì)出了輸出功率為85 W的功率放大模塊,,并且在此微帶電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),。本次電路改進(jìn)在滿(mǎn)足原有指標(biāo)的條件下,同時(shí)提高了電路的工作穩(wěn)定性,。更重要的是巧妙改變微帶電路結(jié)構(gòu),,去除了原電路所用的高成本的電感,并在不影響電路指標(biāo)的前提下適當(dāng)減少了電容,、電阻的用量,,為整個(gè)電路的設(shè)計(jì)節(jié)約了成本。
1 50 W GaN功放管微波電路的改進(jìn)設(shè)計(jì)
1.1 直流偏置電路設(shè)計(jì)原理[3]
為了確保場(chǎng)效應(yīng)晶體管穩(wěn)定工作,,必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的直流偏置電路,。通過(guò)直流偏置電路把正確的偏置電壓分別加到功放管的柵極和漏極,。同時(shí)還要盡量減小微波主路對(duì)直流電源的影響[4]。
圖1給出了柵極饋電網(wǎng)絡(luò)的原理圖,。由于功放管為內(nèi)匹配電路,,此時(shí)微波主路輸入/輸出阻抗已匹配到50 Ω,直流饋電網(wǎng)絡(luò)的接入要避免影響到微波通路的特性,。通常采用長(zhǎng)度為λ/4的高阻線(xiàn)作為射頻扼流圈,,另一段長(zhǎng)度為λ/4低阻線(xiàn)作為高頻旁路。
在主傳輸通道與高阻線(xiàn)之間通過(guò)柵極電阻RG連接,,原則上RG應(yīng)盡可能靠近器件的柵極以進(jìn)行ESDs保護(hù)和防止自激振蕩,,在饋電網(wǎng)絡(luò)不參與匹配的前提下,柵極電阻RG接在λ/4的高阻線(xiàn)與主傳輸通道之間,。C2由分別對(duì)高頻,、中頻、低頻起濾波作用的電容器組成,。由于柵極電流很小,,高阻線(xiàn)的線(xiàn)寬可以細(xì)一點(diǎn),所以其特性阻抗可以取值很高,。電容器C1是用來(lái)起高頻接地的作用的,,自諧振在基頻,容值很小,,保證高阻線(xiàn)高頻接地,,饋電網(wǎng)絡(luò)和輸入匹配電路是并聯(lián)的,在基頻上饋電網(wǎng)絡(luò)的阻抗應(yīng)該是無(wú)窮大(假設(shè)電路的損耗很低),,對(duì)輸入匹配電路而言,,相當(dāng)于開(kāi)路。
圖2是漏極饋電網(wǎng)絡(luò)原理圖,。在第一節(jié)微帶線(xiàn)的末端與地之間,并聯(lián)去耦電容和一個(gè)RC串聯(lián)電路(電阻Rd和電容Cd),。這個(gè)電路中引入了一個(gè)有耗元件Rd和去耦電容Cd串聯(lián),以改善放大器的穩(wěn)定性。該節(jié)微帶線(xiàn)必須能通過(guò)較大的漏極電流Ids,,對(duì)于大功率晶體管,,Ids有可能超過(guò)20 A。這就意味著該節(jié)微帶線(xiàn)的最小寬度是有限制的,另外它的特性阻抗也不能很高,。為了減小偏置電路的直流壓降,,該節(jié)微帶線(xiàn)的寬度應(yīng)盡可能寬。當(dāng)配合電源調(diào)制電路時(shí),,微帶線(xiàn)的寬度同樣能夠?qū)崿F(xiàn)高阻線(xiàn)的要求,。
1.2 直流偏置電路的改進(jìn)設(shè)計(jì)
本文選用的GaN HEMT功放管為東芝公司X波段內(nèi)匹配功放管,型號(hào)為T(mén)GI8596-50。該功放管在50 Ω微波系統(tǒng)鏈路中輸出功率可達(dá)47 dBm,,增益為6 dBm,。
原有的直流偏置網(wǎng)絡(luò)中,低阻線(xiàn)采用方形結(jié)構(gòu)[2],,如圖3左所示,,再加入適當(dāng)?shù)碾姼芯€(xiàn)圈起到射頻扼流的作用。現(xiàn)改為圖3右所示的扇形結(jié)構(gòu),,從仿真結(jié)果可見(jiàn)相應(yīng)的隔離度有所提高,,在加入適當(dāng)高頻濾波電容的前提下,可以取消原電感線(xiàn)圈,,同樣能夠起到射頻扼流的作用。并且在主傳輸通道與柵極偏置電路之間加入電阻RG,,加強(qiáng)ESDs保護(hù)和防止自激振蕩,,使得整個(gè)電路的工作狀態(tài)更加穩(wěn)定。
圖4分別給出了方形直流偏置網(wǎng)絡(luò)和扇形直流偏置網(wǎng)絡(luò)的隔離度仿真結(jié)果,。F S31為方形偏置網(wǎng)絡(luò)1端口和3端口的隔離度,,S S31為扇形偏置網(wǎng)絡(luò)1端口和3端口的隔離度。從仿真結(jié)果來(lái)看,,整個(gè)頻段內(nèi)扇形網(wǎng)絡(luò)的端口隔離度要比方形提高10 dB,,這也是能夠取消電感扼流圈的主要原因。
為了將微波主路與電源隔離開(kāi),,還要在主傳輸通道上加入適當(dāng)?shù)母糁彪娙?。隔直電容的選取應(yīng)遵循低損耗和高功率容量的特性。
隔直電容的選擇可以按照?qǐng)D5的方式進(jìn)行小信號(hào)測(cè)試,。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測(cè)試1,、2端口的駐波和兩個(gè)端口之間的插損,當(dāng)駐波合適且端口插損取最小值時(shí)即為合適的隔直電容,。當(dāng)然當(dāng)整個(gè)電路用于大功率信號(hào)傳輸時(shí),,隔直電容的取值可能會(huì)有適當(dāng)?shù)淖儎?dòng)。對(duì)功放部分的微波電路設(shè)計(jì)完成之后就是對(duì)兩路50 W功率芯片進(jìn)行電路級(jí)功率合成,,本文采用電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且較為實(shí)用的Wilkinson兩路功分功合器進(jìn)行功率合成,。
2 Wilkinson兩路功分功合器的仿真與制作
2.1 功分功合器的電路原理圖[5]
圖6所示為微帶3端口功分器的原理圖。從圖中可以看出,,其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,,類(lèi)似于微帶T型接頭。信號(hào)從1端口(端口處特性阻抗為Z0)輸入,,分別經(jīng)過(guò)特性阻抗為Z02,、Z03的兩段微帶線(xiàn),然后從2、3端口輸出,,端口處的負(fù)載電阻分別為R2及R3,。中間兩段微帶線(xiàn)的電長(zhǎng)度為λ/4,兩輸出端口之間跨接一純電阻R,。由于此電阻的存在,,使得兩端口輸出等幅、等相位的功率,,并且彼此之間互為隔離端,。
由Wilkinson功分器的特性可知k=1,于是有:
2.2 功分功合器的仿真設(shè)計(jì)與制作
取Z0=50 Ω對(duì)Wilkinson功分功合器進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),,圖7給出了其在HFSS軟件中的仿真模型,。
將功分功合器置于金屬腔體中進(jìn)行模型仿真,使得仿真模型與實(shí)物盡量保持一致,。圖8,、圖9中分別列出了該模型的端口之間的插入損耗和端口反射系數(shù),從仿真結(jié)果看出其能夠滿(mǎn)足指標(biāo)要求,。
最終制作了將微帶結(jié)構(gòu)放入腔體中的功分功合器,。將功分功合器與兩路50 W功放連接在一起最終得到85 W功率放大模塊的整個(gè)微波電路。
3 測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)論
將兩個(gè)功分功合器與設(shè)計(jì)并制作的兩路功放相連接,,按照?qǐng)D10中的功放測(cè)試框圖最終測(cè)得的輸出功率見(jiàn)表1,。
從表1中可以看出,隔離器輸出端的功率值在每個(gè)工作頻點(diǎn)上均大于等于85 W,。
從整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中可以看出,,以X波段50 W功放管為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的功率放大電路具有體積小、功率輸出穩(wěn)定,、帶內(nèi)功率平坦等特點(diǎn),。柵極偏置電路加入電阻RG使得功放的工作穩(wěn)定性進(jìn)一步加強(qiáng)。該模塊可以運(yùn)用到對(duì)體積和重量要求較高的X波段固態(tài)發(fā)射機(jī)中,。
參考文獻(xiàn)
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