S波段小型管壳封装高增益高可靠功率放大器的设计

周 全

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄050051)

S波段小型管壳封装高增益高可靠功率放大器的设计

周 全

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄050051)

基于功率放大器模块化、小型化的发展需求，设计了一种S波段小型管壳封装、高增益、高可靠线性功率放大器，采用微波薄膜混合集成电路工艺，双电源供电，将三级放大电路一体化集成到全密封金属管壳，阐述了功率放大器的高增益、高可靠、小体积设计。测试结果表明放大器功率增益29 dB，1 dB输出功率大于34 dBm，功率附加效率大于38%，70℃壳温功率管芯结温101℃，外形尺寸13 mm×21 mm×5.5 mm。技术指标满足设计要求，可靠性满足Ⅰ级降额设计。

混合集成电路；功率放大器；S波段；金属管壳封装

0 引 言

现代通信、雷达、遥控遥测等诸多微波电子设备向小型化、轻量化发展，迫切需要各种小体积、高可靠、安装使用方便的管壳类功率放大器。GaAs微波功率晶体管由于自身具有优越的功率、增益、效率特性且制造工艺成熟、稳定,目前仍成为该类工程配套的关键器件[1-2]。以Eudyna公司为代表的国外厂家采用金属管壳封装的内匹配功率放大器，由于采用单级放大，功率增益偏低，使用时需要额外增加前级及驱动级以提升整个放大链路的增益。

本文设计的S波段高增益线性功率放大器，将三级放大电路一体化集成于表面贴装金属管壳，简化了整机使用，大大缩小了体积，功率管芯达到Ⅰ级降额的热设计提高了整机长期工作的可靠性[3]，同时在此设计基础上完成了产品不同频段的系列化。

1 电路设计

电路采用A类三级放大，见图1[4]。通过在输入端加入一定量的纯阻Π型衰减网络适当地调整衰减值,既保证整个放大链路增益的调整,又可使输入端口驻波比得到很好的改善，还能保证输入端口驻波比在小信号、大信号及高低温状态下的变化相对稳定。前2级可通过管芯的S参数利用仿真软件进行小信号共轭匹配，第1级采用GaAs MMIC放大器提供约30 mW功率，第2级采用GaAs PHEMT管芯提供约500 mW激励[5]。

图1 放大器电路原理框图

末级功率管芯的输入端由于工作在大信号状态，其输入输出阻抗较低且随频率和输入功率的变化而出现较大的阻抗变化，同时S21也会随输入信号的增加而变小。为此，通过合理设计输入匹配电路提高增益，合理设计输出匹配提高末级管芯的输出功率及线性度，满足最大输出功率时的最佳外部负载阻抗[6]。末级管芯采用GaAs PHEMT功率管芯，其等效输入阻抗是电阻和电容的串联阻抗(见图2)：

ZS=Rin+1/(jωCin)

(1)

输入匹配电路可采用T形低通网络达到降低输入阻抗和提升增益的目的。

图2 末级管芯输入匹配

输出匹配电路应具备损耗低、谐波抑制度高、输出功率大、改善输出驻波及非线性等功能。由于功率放大器的基波输出功率高，相应的谐波分量也较大，特别是二次和三次谐波的影响不可忽略，输出驻波较大会恶化带内增益起伏，产生寄生信号，严重时会产生自激振荡和烧毁功率管芯[7]。末级功率管芯采用一阶Γ型切比雪夫低通变阻滤波器的方法将管芯的输出端口阻抗进行匹配，结合仿真软件计算出输出匹配网络中的各个元件初值，在此基础上需要不断地试验、调试、改善版图直至电路性能达到最佳值。末级匹配电路见图3[8]。

图3 带直流偏置的末级管芯输入输出匹配

图3中电感采用键合金丝引线实现阻抗匹配，电感值为：

(2)

式中:L为金丝电感(nH)；l为金丝长度(mm)；d为金丝直径(mm)。

图3中电阻为可调节阻值的薄膜电阻；电容(除C3、C4外)均采用Q值高、温度系数小(约±50 ppm/℃)的金属介质半导体(MIS)电容。MIS电容为高介电常数电容(见图4)，其容值为：

(3)

式中：ε0为真空介质常数(0.088 5 pF/cm)；εr为相对介电常数,εr=40；L为金属电极的长度，单位cm；W为金属电极的宽度，单位cm；T为介质厚度，单位cm。

图4 平板电容示意图

2 结构设计

为满足产品管芯结温达到Ⅰ级降额(Tj≤100 ℃)，示踪气体氦(He)细检漏的漏率(≤2×10-2Pa·cm3/s)要求，兼顾与氧化铝(Al2O3)陶瓷电路基板的热应力匹配(热膨胀系数6.7×10-6/℃)，放大器管壳底座采用钨铜材料(W85Cu15热导率170 W/(m·K)，热膨胀系数7×10-6/℃)，产品各功能管脚采用玻璃绝缘子，墙体采用可伐材料(4J29)，盖板采用可伐材料(4J42)，采用平行封焊。使用软件对内腔体尺寸进行仿真，使得腔体的谐振点尽量远离工作频率。管壳外形结构见图5。利用进口设备采用AuSn(80%Au20%Sn)焊料将基片、管芯在N2保护下一次性烧结完成,整个烧结过程时间短，焊料烧结均匀，可通过测量功率管芯结温的办法充分验证管壳结构设计的效果。

图5 放大器管壳外形图

产品空间十分有限，内腔体积 (11.0 mm×9.2 mm×3.0 mm)，尽量简化电路结构，根据增益及电路特点采用三级放大，为避免管芯间相互影响、微带线间的耦合，版图设计显得尤为重要，电路的直流偏置和微波部分均应预留一定的可调节手段。产品间的幅相一致性也是设计中需要重点关注的，充分考虑装架、键合工艺带来的人为误差，通过在管壳底座上制作了2条烧结管芯的凸台，规范了元器件的烧结、装配键合位置，最大限度地控制版图设计与实际操作带来的偏差。管芯的排列、管芯间的距离、键合线的直径及电流容量都经过了合理的计算与设计[4-8]。

3 测试结果及分析

对放大器的各项性能指标进行了全面测试。图6为放大器小信号(Pin=-15 dBm)状态下增益与频率的关系图，图7为放大器输入驻波比与频率的关系图，图8为放大器输出驻波比与频率的关系图，图9为放大器输出功率与频率的关系图，图10为放大器功率增益与输入功率的关系图(放大器输出接30 dB衰减器)，图11为放大器传输相位与输入功率的关系图(放大器输入-15 dBm的传输相位与输出30 dBm的相位)，图12为三阶交调图(双音间隔±0.5 MHz，每音输出30 dBm，放大器输出接30 dB衰减器)，图13为利用显微红外热成像仪测量末级功率管芯的工作结温图。

图6 放大器小信号增益

图7 放大器输入驻波比

图8 放大器输出驻波比

图9 放大器输出功率

图10 放大器功率增益与输入功率

图11 放大器传输相位与输入功率

图12 放大器三阶交调

图13 管芯结温图

Tc=+70 ℃，末级功率管芯结温为101 ℃，管芯直流功耗5 W(10 V×0.5 A)，算得末级管芯热阻为：

(4)

式中:TC为管壳温度；TJ为工作结温；PD为管芯耗散功率。

4 结束语

成功设计了一种小型化、高增益、高可靠性、高效的线性功率放大器。所有的匹配电路、电阻、电容、电感通过混合集成电路工艺一体化集成到全密封金属管壳内，解决了小体积管壳与放大器的高增益、大功率的矛盾以及由于体积所限造成元器件密度过高而引起的散热问题，解决了功率器件高温电老炼(TA=+85 ℃，1 000 h)性能退化问题。后续将在此基础上对更高功率输出做进一步研究。

[1] 胡明春，周志鹏，高铁.雷达微波新技术[M].北京：电子工业出版社,2013.

[2] 程文芳，盛柏桢.微波半导体功率器件及其应用[J]. 电子与封装，2003,3(1)：30-31.

[3] 国防科学技术工业委员会.元器件降额准则.GJB/Z 35-1993[S],1993.

[4] HICKMAN I.实用射频技术手册[M].4版.张弘，华伟，陈倩等译.北京：人民邮电出版社,2009.

[5] 王子宇.微波技术基础[M].北京：北京大学出版社，2003.

[6] 高葆新，胡南山，洪兴楠，李浩模，过常宁.微波集成电路[M].北京：国防工业出版社,1995.

[7] GREBENNIKOV A.射频与微波功率放大器设计[M].张玉兴，赵宏飞译.北京：电子工业出版社,2007.

[8] LICARI J J，ENLOW L R.混合微电路技术手册[M].朱瑞廉译 北京：电子工业出版社，2004.

DesignofS-bandMiniaturePackagePowerAmplifierwithHighGainandHighReliability

ZHOU Quan

(The 13th Research Institute,CETC,Shijiazhuang 050051,China)

Based on the development requirements of modularization and miniaturization of power amplifier,this paper designs an S-band miniature package linearity power amplifier with high gain and reliability,uses microwave thin film hybrid integrated circuit process and dual power supply,integrates three-stage amplification circuits into a fully sealed metal package,expatiates the design of high gain,high reliability and small size for power amplifier.Test results show that the amplifier power gain is 29 dB,the output power is more than 34 dBm at 1 dB power compression point,the power additional efficiency is more than 38%,the power tube core junction temperature reaches 101℃ at the 70℃ shell temperature,the size is 13 mm×21 mm×5.5 mm.The technical specifications meet design requirements，the reliability meets the requirement of levelⅠredundancy design.

hybrid integrated circuit；power amplifier；S-band；metal tube package

TN722.75

B

CN32-1413(2017)05-0093-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.021

2017-07-18

国家自然科学基金项目，项目编号：61604137