X波段85W功率放大模块微带电路设计

王默然，宋振兴，方建洪

（中航工业雷华电子技术研究所，江苏 无锡 214063）

0 引言

单片微波集成电路（MMIC）是在同一块半导体衬底上，采用一系列半导体工艺方法，将有源与无源器件连接起来构成的微波电路。这种电路具有集成度高、体积小、重量轻、可靠性高、寄生效应低等优点[1]。

当前MMIC的衬底材料以第三代宽禁带半导体材料GaN为典型代表。这种半导体材料耐高温、高压，电子迁移率高，工作温度范围大，微波传输性能好。因此GaN基的功放管一般具备更高的工作电压、更大的输出功率以及更高的功率输出效率。对此类功放管的研究与应用能够整体提高微波组件的性能与稳定性，为电子对抗、制约通信、雷达发射机系统的发展带来革命性的变化。

近年来以GaN为衬底的微波功放管取得了长足的发展。国外TriQuint和东芝公司先后推出大功率器件，东芝公司有X波段50 W的芯片批产。国内X波段50 W芯片已经有试验件，相信不久就会进入批产阶段。

本文以X波段50 W GaN功放管的应用为基础[2]，设计出了输出功率为85 W的功率放大模块，并且在此微带电路的基础上进行了改进设计。本次电路改进在满足原有指标的条件下，同时提高了电路的工作稳定性。更重要的是巧妙改变微带电路结构，去除了原电路所用的高成本的电感，并在不影响电路指标的前提下适当减少了电容、电阻的用量，为整个电路的设计节约了成本。

1 50 W GaN功放管微波电路的改进设计

1.1 直流偏置电路设计原理[3]

为了确保场效应晶体管稳定工作，必须设计相应的直流偏置电路。通过直流偏置电路把正确的偏置电压分别加到功放管的栅极和漏极。同时还要尽量减小微波主路对直流电源的影响[4]。

图1给出了栅极馈电网络的原理图。由于功放管为内匹配电路，此时微波主路输入/输出阻抗已匹配到50Ω，直流馈电网络的接入要避免影响到微波通路的特性。通常采用长度为λ/4的高阻线作为射频扼流圈，另一段长度为λ/4低阻线作为高频旁路。

图1 栅极馈电网络原理图

在主传输通道与高阻线之间通过栅极电阻RG连接，原则上RG应尽可能靠近器件的栅极以进行ESDs保护和防止自激振荡，在馈电网络不参与匹配的前提下，栅极电阻RG接在λ/4的高阻线与主传输通道之间。C2由分别对高频、中频、低频起滤波作用的电容器组成。由于栅极电流很小，高阻线的线宽可以细一点，所以其特性阻抗可以取值很高。电容器C1是用来起高频接地的作用的，自谐振在基频，容值很小，保证高阻线高频接地，馈电网络和输入匹配电路是并联的，在基频上馈电网络的阻抗应该是无穷大（假设电路的损耗很低），对输入匹配电路而言，相当于开路。

图2是漏极馈电网络原理图。在第一节微带线的末端与地之间,并联去耦电容和一个RC串联电路(电阻Rd和电容Cd)。这个电路中引入了一个有耗元件Rd和去耦电容Cd串联,以改善放大器的稳定性。该节微带线必须能通过较大的漏极电流Ids，对于大功率晶体管，Ids有可能超过20 A。这就意味着该节微带线的最小宽度是有限制的,另外它的特性阻抗也不能很高。为了减小偏置电路的直流压降，该节微带线的宽度应尽可能宽。当配合电源调制电路时，微带线的宽度同样能够实现高阻线的要求。

图2 漏极馈电网络原理图

1.2 直流偏置电路的改进设计

本文选用的GaN HEMT功放管为东芝公司X波段内匹配功放管，型号为TGI8596-50。该功放管在50Ω微波系统链路中输出功率可达47 dBm，增益为6 dBm。

原有的直流偏置网络中，低阻线采用方形结构[2]，如图3左所示，再加入适当的电感线圈起到射频扼流的作用。现改为图3右所示的扇形结构，从仿真结果可见相应的隔离度有所提高，在加入适当高频滤波电容的前提下，可以取消原电感线圈，同样能够起到射频扼流的作用。并且在主传输通道与栅极偏置电路之间加入电阻RG，加强ESDs保护和防止自激振荡，使得整个电路的工作状态更加稳定。

图3 直流偏置网络的平面结构

图4分别给出了方形直流偏置网络和扇形直流偏置网络的隔离度仿真结果。F S31为方形偏置网络1端口和3端口的隔离度，S S31为扇形偏置网络1端口和3端口的隔离度。从仿真结果来看，整个频段内扇形网络的端口隔离度要比方形提高10 dB，这也是能够取消电感扼流圈的主要原因。

图4 方形与扇形直流偏置网络的隔离度仿真曲线

为了将微波主路与电源隔离开，还要在主传输通道上加入适当的隔直电容。隔直电容的选取应遵循低损耗和高功率容量的特性。

隔直电容的选择可以按照图5的方式进行小信号测试。用矢量网络分析仪分别测试1、2端口的驻波和两个端口之间的插损，当驻波合适且端口插损取最小值时即为合适的隔直电容。当然当整个电路用于大功率信号传输时，隔直电容的取值可能会有适当的变动。对功放部分的微波电路设计完成之后就是对两路50 W功率芯片进行电路级功率合成，本文采用电路结构简单且较为实用的Wilkinson两路功分功合器进行功率合成。

图5 隔直电容的测试框图

2 Wilkinson两路功分功合器的仿真与制作

2.1 功分功合器的电路原理图[5]

图6所示为微带3端口功分器的原理图。从图中可以看出，其结构比较简单，类似于微带T型接头。信号从1端口（端口处特性阻抗为 Z0）输入，分别经过特性阻抗为 Z02、Z03的两段微带线，然后从 2、3端口输出，端口处的负载电阻分别为R2及R3。中间两段微带线的电长度为λ/4，两输出端口之间跨接一纯电阻R。由于此电阻的存在，使得两端口输出等幅、等相位的功率，并且彼此之间互为隔离端。

图6 微带三端口功分功合器原理图

由Wilkinson功分器的特性可知k=1，于是有：

2.2 功分功合器的仿真设计与制作

取Z0=50Ω对Wilkinson功分功合器进行仿真设计，图7给出了其在HFSS软件中的仿真模型。

图7 功分功合器仿真模型

将功分功合器置于金属腔体中进行模型仿真，使得仿真模型与实物尽量保持一致。图8、图9中分别列出了该模型的端口之间的插入损耗和端口反射系数，从仿真结果看出其能够满足指标要求。

图8 功分功合器各路插入损耗

图9 功分功合器1端口反射系数

最终制作了将微带结构放入腔体中的功分功合器。将功分功合器与两路50 W功放连接在一起最终得到85 W功率放大模块的整个微波电路。

3 测试数据与结论

将两个功分功合器与设计并制作的两路功放相连接，按照图10中的功放测试框图最终测得的输出功率见表 1。

图10 功放测试框图

从表1中可以看出，隔离器输出端的功率值在每个工作频点上均大于等于85 W。

从整个实现过程中可以看出，以X波段50 W功放管为设计基础的功率放大电路具有体积小、功率输出稳定、带内功率平坦等特点。栅极偏置电路加入电阻RG使得功放的工作稳定性进一步加强。该模块可以运用到对体积和重量要求较高的X波段固态发射机中。

表1 功放模块在每个频点的测试结果

[1]梁晓芳.X波段固态功率放大器稳定性分析设计[J].现代雷达，2007，29(12)：98-100.

[2]方建洪，倪峰，冯皓，等.X波段 50 W GaN功放管的应用研究[J].火控雷达技术，2010，39(1)：70-73.

[3]Fujitsu Compound Semiconductor，Inc.High power GaAs FETdence bias consideration[EB/OL].[2014-07]http：//www.fcsi.fujitsu.com.

[4]BAHI I，BHARTIA P.微波固态电路设计(第二版)[M].郑新，赵玉清，刘永宁，等译.北京：电子工业出版社，2006.

[5]王新稳，李萍编.微波技术与天线[M].北京：电子工业出版社，2003.