Ka频段固态功放设计方案

论文题目高功率Ka波段功率放大器芯片设计学科专业通信与信息系统指导教师文光俊教授博导作者姓名 杨维波班学号 ************2008年月日注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。

独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

签名：日期：年月日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。

本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：日期：年月日摘要I摘 要单片微波集成电路（MMIC ）具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高等一系列优点，并可缩小电子设备的体积、减轻重量、价格也可降低不少，这些优点对军用电子装备和民用电子产品都十分重要。

本文所讨论的高功率Ka 波段微波放大器芯片采用MMIC 的方式来实现，主要应用于机载相控阵雷达的T/R 组件上，是构成机载相控阵雷达T/R 组件的重要部件。

根据 MMIC 发展趋势以及国内实际情况，论文采用多级、多路合成的方法设计了Ka 频段MMIC 功率放大器，并针对Ka 频段单片功率放大器展开了研究，包括对制造工艺的有源器件和无源元件的介绍分析、晶体管热设计、电路拓扑的选取、匹配电路和偏置电路的形式。

最后在版图调整规则下，对电路进行了仿真，确定了最终电路版图。

论文实际利用0.13μm GaAs pHEMT 工艺实现了一个频带宽度为2GHz 的单片高功率放大器的仿真设计。

摘要摘要现代人类的便捷生活离不开各种无线通信系统的支持。

作为无线通信收发机中的关键部件，功率放大器（Power Amplifier, PA）对系统的通信距离、工作时长以及体积大小都有着非常重要的影响。

凭借高性能、小尺寸、高可靠性等诸多优势，单片微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）技术目前已成为毫米波功率放大器实现的主流方式。

本文基于0.15 um GaAs PHEMT MMIC工艺，设计研制出一款面向卫星通信终端应用的Ka波段高效率MMIC功率放大器。

为了提高功放的效率，功放芯片被偏置在AB类，并在设计时特地优化了输出级匹配网络对二次谐波的抑制能力。

设计的功放芯片的电磁仿真结果表明，在29 GHz~31 GHz频率范围内，功放的输入输出端口驻波比（V oltage Standing Wave Ratio, VSWR）小于1.8，线性增益大于19.2 dB，1dB压缩点输出功率（P1dB）大于24 dBm，饱和输出功率（Saturated Output Power, Psat）超过25 dBm，饱和输出功率下功率附加效率（Power Added Efficiency, PAE）达到33.4%。

当输出功率为24 dBm时，功放芯片的直流功耗为1.018 W。

根据仿真得到的直流功耗，本文对功放芯片的热量产生及散热机制进行了分析，建立了功放芯片的热特性仿真模型，应用ANSYS软件仿真了功放芯片的热特性。

仿真结果表明，在环境温度为45 ℃时，仅考虑传导散热的情况下，功放芯片工作时晶体管的沟道温度最高为90.5 ℃，没有超出工艺的最高温度限制。

本文对流片加工的功放芯片的性能进行了在片测试。

在片测试结果表明，在29 GHz~31 GHz频率范围内，功放芯片输入输出端口电压驻波比小于2，线性增益达到19.2 dB，P1dB输出功率达到24.3 dBm，饱和输出功率达到25 dBm，饱和输出功率下PAE达到35.7%。

Ka频段通讯固态功率合成放大器的研制的开题报告一、研究背景随着无线通信技术的不断发展，高频功放模块在无线通信系统中需求量不断增加，其中Ka频段通信更是如此。

而电子器件特性研究的迅速发展，特别是CMOS工艺在高频、高功率领域内的不断拓展，为高功率固态功率合成放大器的研发提供了新的手段和经验。

二、研究目的本研究旨在研制一种适用于Ka频段通信的固态功率合成放大器，以满足高频通信系统对功率放大模块的高要求。

同时，通过采用CMOS工艺，提高功率合成放大器的能效比和可靠性，降低成本。

三、研究内容与方法1. 设计Ka频段通信的固态功率合成放大器的电路结构，并对其进行性能仿真分析和参数优化；2. 利用CMOS工艺制备高功率器件，优化器件结构和工艺参数，达到提高器件电特性、功率和可靠性的目的；3. 实现功率合成放大器的集成化设计，包括功率分配器、相位偏移器、电力放大器等，以实现功率倍增和频带调整的功能；4. 进行性能测试和可靠性测试，评估固态功率合成放大器的性能和可靠性，验证所设计的固态功率合成放大器在Ka频段通信中的应用价值。

四、研究意义1. 推进无线通信技术的发展，促进Ka频段通信技术的应用；2. 提高固态功率合成放大器的能效比和可靠性，降低成本；3. 提供可靠、高效的功率放大器模块。

五、预期成果1. 成功研制出适用于Ka频段通信的固态功率合成放大器；2. 实现性能卓越、能效高、可靠性强的功率合成放大器，具有广泛的应用前景。

六、进度安排1. 第一年：设计电路结构，仿真性能分析和参数优化；2. 第二年：利用CMOS工艺制备高功率器件，优化器件结构和工艺参数；3. 第三年：实现功率合成放大器的集成化设计，进行性能测试和可靠性测试。

七、参考文献1. Zhang L, Xu Q, Wang L, et al. High-efficiency and broadband power amplifier design using stacked transistors for Ka-band satellite communication systems[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2018, 66(11): 5066-5079.2. Chen Z, Sawa M, Matsuo S, et al. A 39 dBm 30% PAE 38-40 GHz GaN HEMT power amplifier[C]// IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium. IEEE, 2018: 1-4.3. Lemke T, Delorme M, Meinhold P, et al. A 3.5 W, 38 GHz power amplifier based on 0.25 μm GaN HEMT technology[C]// IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium. IEEE, 2014: 5-8.。

第36卷 第4期 电 子 科 技 大 学 学 报 V ol.36 No.4 2007年8月 Journal of University of Electronic Science and Technology of China Aug. 2007Ka 频段6 W 固态集成功放的热分析与设计陈昌明 1,2，徐 军1，王天宝2(1. 电子科技大学物理电子学院 成都 610054; 2. 成都信息工程学院通信工程系 成都 610225)【摘要】热模拟是毫米波中高功率放大器设计中的关键环节之一，可靠的散热结构可确保系统中有源器件工作在额定温度下，而基于有限元方法的数值模拟技术是毫米波功率放大器热分析的重要工具。

针对由四块毫米波功率单片合成的Ka 频段 6 W 固态集成功放，采用有限元软件ANSYS 建立了其三维热模型，对模型在空气自然对流情况下的温度分布状况进行了模拟和分析，模拟结果与实测值基本吻合，验证了模型的有效性。

研究结果对毫米波功率放大器的热设计提供了重要的理论依据。

关 键 词 有限元法; 毫米波功率放大器; 单片毫米波集成电路; 热设计 中图分类号 T405.97 文献标识码 ADesign and Analysis of Thermal Performance of a 6 W Solid-StateIntegrated Power Amplifier at Ka-BandCHEN Chang-ming 1,2，XU Jun 1，WANG Tian-bao2(1. School of Physical Electronics, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054; 2. Department of Communication Engineering, Chengdu University of Information Technology Chengdu 610225)Abstract Thermal simulation is one of the design problems for millimeter-wave medium-to-high poweramplifiers. Good thermal configurations were performed for the system to ensure that the active devices would be operating below their rated maximum operating temperature. Numerical simulation based on finite element method is an important tool in the thermal analysis of millimeter-wave power amplifiers. A three dimensional thermal model of a 6 W solid-state integrated power amplifier which is combined by using 1×4 monolithic millimeter-wave integrated circuit (MMIC) chips at Ka-band was built with ANSYS to calculate the temperature distribution under air free convection condition. Good agreement between simulation and experiment and which demonstrated the effectiveness of the thermal model. The simulated results provide a theoretical basis for thermal design of millimeter-wave power amplifiers.Key words finite element method; millimeter-wave power amplifiers; monolithic millimeter-wave integrated circuit; thermal design收稿日期：2006 − 03 − 03基金项目：军事电子预研项目作者简介：陈昌明(1971 − )，男，硕士，讲师，主要从事毫米波电路方面的研究.高功率放大器是微波和毫米波发射机的重要部件之一。

Ka波段20W连续波宽带固态功放设计
方建新;朱维;冉东
【期刊名称】《电子信息对抗技术》
【年(卷),期】2011(026)004
【摘要】采用空间功率合成与电路功率合成相结合的功率合成方式,设计了一款工作于Ka波段的连续波宽带20W功率放大器.采用分支波导电桥组合双探针波导-微带转换结构作为基本功率分配/合成单元,然后通过低损耗的4路波导T型结外合成,借助HFSS软件进行仿真优化,依托精密的机械加工技术,进而实现高效率的16路功率合成.测试结果显示:在Ka波段f0- 5GHz到f0+ 5GHz的频带范围内,该功率合成放大器带内最大饱和输出功率为29.5W(44.7dBm),最大合成效率达92％.【总页数】8页(P69-76)
【作者】方建新;朱维;冉东
【作者单位】电子信息控制重点实验室,成都610036;电子信息控制重点实验室,成都610036;电子信息控制重点实验室,成都610036
【正文语种】中文
【中图分类】TN722.33;TN722.75
【相关文献】
1.基于Vicor模块的Ka频段连续波固态功放开关电源设计 [J], 文朝举;张秀霞;潘璠
2.毫米波400W连续波固态功放设计 [J], 李新胜
3.1～6GHz宽带大功率固态功放设计 [J], 马佳;吴云飞;韩海生;赖署晨
4.基于波导合成高效宽带Ka波段连续波发射机设计 [J], 樊锡元
5.某型Ka波段调频连续波雷达结构设计 [J], 吴良;龚伟;刘永宁;王家明;胡城镇因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

• 125•根据星载固放工作环境特点以及对固放高可靠性要求，本文介绍了一种K 波段星载固放，其内部提出了一款良好散热、保证气密的GaN 功率芯片封装模块用于功率合成。

该GaN 功率模块使用金刚石铜作为衬底底部和可伐材料拼接，能够满足气密性和散热需求，同时内部集成了宽带脊波导到同轴转接，易进行空间功率合成。

实测气密性优于1×10-1Pa·cm3/s ，满足可靠性和工程应用需求。

经过测试，整个固态单机的输出功率大于15W ，额定输出下效率21.5%。

1 引言京理工大学，2004；石雯，Ku 波段氮化镓功率放大器研究：杭州电子科技大学，2012；Dong Min Kang,Jong Won Lim,et a1.X-band 100 W solid-state power amplifier using a O.25 μM GaN HEMT technology:MICROWA VE AND 0PTICAL TECHNOLOGY LETTERS 2015）。

因此，本文采用GaN MMIC 设计一款K 波段星载固态功率发射机，内部功率模块采用的是探针双脊波导过度和空间功率合成的方式。

该模块能够保证较宽的工作带宽、良好的导热率以及气密性。

整个固放输出功率大于15W ，功率增益大于45dB ，固放单机效率达到21.5%。

芯片封装的气密性优于1×10-1Pa·cm 3/s ，散热良好，满足特殊应用环境需求。

基于GaN芯片的星载K波段固态功放研制中国电子科技集团公司第十三研究所 朱文思图1 宽带波导同轴探针过渡HFSS仿真模型示意图图2 宽带同轴波导转接仿真结果曲线目前，微波固态功放（SSPA ）相对于真空管放大器具有可靠性高、寿命长、工作电压低、尺寸小、重量轻等特点，因此在雷达、通信、卫星等领域中有着非常广泛的应用，其性能指标直接制约着整个系统的性能和技术水平。

基于GaAs 材料的功率器件已经无法满足对更高频率、更高功率的追求，这就需要新的材料来突破这个瓶颈（曹韬，曾荣，基于GaN HEMT 器件的宽带高效功率放大器：微波学报，2012；钮浪，石洁昀，潘威，X/Ku 波段宽带GaN 微波固态功放技术研究：科学与信息化，2018）。

图1 AMMC-5040芯片版图图2A M M C-5040放大器增益（VDD=4.5V，IDD=300mA2013.5305835492013.5计中引入负压保护电路。

负压保护电路的原理图如图7，当负压未接而正压已接的情况下，NPN 晶体管的VBB=VEE ，晶体管不导通，则电阻R1R2上没有电流，MOS 管的栅极与源级电压相同，MOS 管不导通，则电路没有电压输出。

当接通负压后，NPN 管导通，电阻R1，R2有电流通过，MOS 管的源级电压大于栅极电压，MOS 管导通，电路有12V 电压输出。

为防止稳压片功率消耗过大产生过高的热量导致稳压片无法正常工作，本设计中采用两路分别供电，每路采用两级降压设计，将功率损耗分摊，降低单一稳压片的热量产生。

布线时尽量让各个稳压片的距离拉大，放大器输出为27.5dBm 。

该MMIC 芯片的版图如图3，增益曲线如图4，饱和功率输出随频率的变化曲线如图5。

由两个放大器芯片的增益曲线可知，AMMC-5040的高频段增益要小于低频段，而TPA2640正好相反，两个放大器芯片级联使用可以很好地调节整个频段内的增益平坦度。

由于两个放大器芯片都是裸片封装，因此采用压金丝的工艺对两芯片进行连接。

两芯片跳金丝的示意图如图6。

介质基板板材采用罗杰斯5880，厚度为0.127mm 。

在Ka 频段50欧姆微带线的宽度为0.38mm 。

偏置电源的设计由于两个放大器芯片都需要很大的偏置电流，因此电源的合理设计对整个放大器的性能影响很重要。

由于两芯片都需要负压，因此电源设图4 TPA2640小信号增益曲线图3 TPA2640 MMIC版图图5 TPA2640饱和功率输出曲线图6 两芯片的连接示意图图7 负压保护电路原理图图8 腔体结构设计示意图图9 放大器实物36图12求呢？从应用的角度,测试仪表的输入功率应与被测实际应用的环境(即基站发射功率)相一致，即取实际应用中基站可能通过的最大功率，才可能测量得实际应用中真实的无源互调值。

Ka频段固态功率放大器技术设计方案-50W功率放大器技术指标：1．Ka波段10W10W-50W技术指标项目数据备注频率范围29~31GHz或25~27.5GHz可按需要的定制输出功率(P1dB)10-50W(40dBm-47dBm)最大安全输入功率+10dBm线性增益≥50dB-55dB增益调节范围20dB(步进1dB)数控衰减增益平坦度(25℃)峰峰值≤0.5dB任意40MHz频段增益变化(工作温度内)≤±1.0dBAM/PM变化≤3°/dB P1dB回退3dB 杂散≤-60dBc在P1dB输出二次谐波≤-60dBc在P1dB输出群时延变化线性≤0.04ns/MHz任意±3MHz带内抛物线≤0.006ns/MHz峰峰值≤2ns24小时时延变化≤1ns驻波比输入: 1.3:1输出: 1.5:1保护功能过反射保护,过热保护,过流﹑过压保护远控监控串口Ethernct网口两路RF输入开关接口形式RF输入:K(两路)(或WR-28两路)RF输出:WR-28RF输出耦合口(耦合度-40dBc);K-阴供电220VAC±10%,47~63Hz工作模式1:1模式或1:2模式工作温度-50~+60℃存储温度-55~+85℃功放使用环境室外:温度:-50~+60℃湿度:0~100%(无冷凝)海拔高度:<2000m其它要求防雨淋,防盐雾(室外机)MTBF>20000小时2．功放设计框图：例如一个Ka频段P1@dB输出10W框图：3.波导内空间功率合成放大器技术实施方案3.1功率合成放大器电路结构在雷达、电子干扰和通信发射机中，经常需要使用具有较大输出功率的放大模块。

在毫米波频段，由于单个固态器件的输出功率非常有限，要获取系统所需输出功率电平就必须采用功率合成技术。

固态功率合成放大器相对磁控管、行波管等电真空器件而言，除具有可靠性高，体积小、重量轻、交调特性好、功耗低、维护费低、直流电压低、对人员更安全等优点外，还能在一路或几路放大器出现故障的情况下保证系统继续工作而不会完全失效，只是在性能上有所下降，即所谓的“故障弱化”特性。

摘要摘要本文论述了一个Ka频段1W固态功率放大器设计和研制。

设计中，采用毫米波微带混合集成技术，实现了标准BJ320波导接口的毫米波固态功率放大。

波导－微带过渡使用比较成熟的毫米波E－面微带探针结构，确定了由毫米波中功率MMIC驱动末级高功率MMIC的两级功率放大方案。

经理论推导及电磁仿真优化，设计了放大器微带集成波导端口无源网络，并加工和测试，实验表明，在33－36GHz范围内插入制作的波导－微带过渡损耗小于0.2dB，回波损耗优于-20dB，结果与理论分析一致。

在此基础上，采用毫米波固态器件精密装配工艺，安装了驱动级和末级功率单片：AMMC－5040、TGA1141－EPU。

经调试和测量，在33-36GHz的范围内实现了,小信号增益大于37dB，饱和输出功率大于31.1dBm，在33GHz达到最大，为33.6dBm。

毫米波功率放大器指标达到了设计要求。

本文论述的毫米波固态高功率放大器，电路结构简洁、便于加工与实现，具有一定的工程设计与研究价值。

所设计的毫米波固态功率放大器，在较宽频带内实现了较高的增益放大以及较大的功率输出，使用方便，可广泛地应用于毫米波通信、雷达等系统中。

关键词：毫米波、功率放大器、毫米波混合集成、波导－微带E面探针、功率IABSTRACTABSTRACTThis paper discusses the design and development of a solid-state power amplifier in Ka-band, which has an output power over 1 watt.The design adopts millimeter wave microstrip hybrid integrated technique, carries out the millimeter wave solid-state power amplifier with the standard BJ320 waveguide ports. Transitions from waveguide to microstrip use a matured structure of microstrip E-plane probe. The amplifier use method of two-class power-amplifying, which employ a middle power MMIC driving an end class high power MMIC. By theory deducing and electromagnetism emulation, a passive network was fabricated and the measured result indicates that the insert loss of the single transitions from waveguide to microstrip is less than 0.2 dB and the return loss is less than -20 dB, in 33~36 GHz. This results and theories meet a good agreement.On this basic, this amplifier adopted a precision technique assembling millimeter wave solid-state devices, e.g., AMMC－5040 and TGA1141－EPU respectively. The measured results indicate that the small signal gain is over 37dB, and the saturated output power is over 31.1dBm. A maximum output power, 33.6dBm, is obtained in the 33GHz.The solid-state high power amplifier discussed in this paper has a simple structure of circuit, which is easy to manufacture and realize, and is valuable of engineering design and research. This fabricated solid-state power amplifier, possessing a high gain and a high output power, which could be conveniently used, can be broadly applied in a millimeter wave communication, radar etc.Key words: Millimeter wave, power amplifier, millimeter wave hybrid integration, waveguide –microstrip E-plane probe, powerII目录目录第1章引言 (1)第2章毫米波集成传输线 (3)2.1微带线的结构与特性 (3)2.1.1概述 (3)2.1.2微带线的结构 (4)2.1.3微带线的准TEM特性 (4)2.1.4微带线的损耗、品质因数、色散特性和尺寸限制 (7)2.2矩形波导到微带线的过渡 (9)2.2.1概述 (9)2.2.2波导—微带探针的结构形式 (10)第3章功率放大器的理论分析 (13)3.1功率放大器的特性参数 (13)3.1.1功率放大器稳定性分析 (13)3.1.2输出功率 (14)3.1.3功率增益 (14)3.1.4增益平坦度 (16)3.1.5功率效率和功率附加效率 (16)3.2固态功率放大器的设计方案 (17)3.2.1固态功率放大器的技术指标 (17)3.2.2电路形式的选择 (18)3.2.3系统框图的确定 (18)3.2.4介质基片的选择 (20)3.2.5单片的选择 (20)第4章功率放大器的实现与测试 (22)4.1波导—微带线过渡模型的实现 (22)4.2功率放大器的装配 (26)4.2.1MMIC芯片的安装 (26)4.2.2金丝压焊互联结构对K A频段功率放大器整体性能的影响 (27)4.2.3各级放大芯片的安装 (31)III目录4.3固态功率放大器的测试 (32)4.3.1小信号增益测试 (33)4.3.21D B压缩点输出功率以及饱和输出功率 (34)4.4对K A频段固态功率放大器电路的误差分析 (38)第5章结论 (39)参考文献 (41)致谢 (43)外文资料原文 ...................................... 错误！未定义书签。