小型化2瓦W波段放大模块组件设计研究∗

（博微太赫兹信息科技有限公司 合肥 230031）

1 引言

随着现代雷达与通信技术的发展，无线频谱逐渐迈向更高的毫米波频段，处于大气窗口的W频段越来越受到人们的重视。在毫米波雷达与通信中，功率放大器是发射端的关键组成部件，通常位于发射机的末级放大电路，主要作用是将毫米波信号放大后，传递给发射天线，并将毫米波信号发射到无线空间中。整个收发系统的作用距离和信号强度与功率放大器密切相关。本文设计了一款工作于92GHz～96GHz的小型化2瓦功率放大模块组件，能很好的满足W频段对发射功率的需求，可应用于通信、雷达和人体安检等领域。

2 基本原理

在W频段，功放模块的成本主要集中在功放芯片上，单个功放芯片价格与输出功率直接相关（约1000元/100毫瓦），而不同材料的功放芯片输出功率有所差异。W频段的功放芯片材料主要有GaAs、InP、SiGe和GaN，前三种材料功放芯片输出功率较低，通常小于0.5瓦，若要达到输出功率2瓦的要求，需要采用功率合成的方式，这也是目前瓦级W波段功放模块常见的电路形式。单个GaN芯片的输出功率可达到2瓦以上，小信号增益约15dB～20dB，采用两级GaN芯片串联的电路结构（如图1）即可满设计要求。多个芯片功率合成的方式与串联方式相比，具有非常明显的缺点，芯片数量较多，馈电电路多，结构和工艺复杂、体积大、效率低，虽然单个GaAs功放芯片价格较低，但数量增加导致总成本大幅升高，并且由于合成过程存在能量损失（合成效率约80%），因此效率低；而串联方式电路结构简单、体积小、可靠性高、装调简单，效率更高，虽然单个芯片成本高，但依然能降低总体成本，因此选用串联的电路结构。

图1 两种电路拓扑结构比较

在毫米波芯片电路中，电路尺寸小，通常将输入输出端口的匹配电路集成在芯片内部，输入输出端口均为50Ω阻抗，芯片与介质基板的连接通过金丝键合来实现。因此，毫米波功放的设计工作更多集中在微波介质基片、基板到波导端口的转换、腔体结构设计和共晶工艺设计及直流偏置保护电路设计。

3 研制过程

3.1 微波介质基片与波导微带转换

微波介质基片是微波电磁场的传输媒质，又是电路的支撑体。对于基片的要求是损耗小、表面光洁度高、参数稳定、价格低等。在W频段微波介质基片多用薄的5880或石英（介质厚度 ≤0.127mm），两种板材各有优缺点，5880功率容量大，但加工精度较低，表面光洁度较差、损耗较大，石英功率容量较小，但加工精度更高，表面光洁度好、损耗低。

波导—微带过渡结构在毫米波频段，目前常用的波导—微带过渡结构有探针过渡、鳍线过渡和脊波导过渡等。在这里选用波导—双鳍线过渡到5880微带的结构形式，该形式具有结构体积小、加工工艺要求低等优点。在波导—微带探针过渡结构中，波导与微带电路的连接有垂直和平行两种方式。考虑到本设计中固态器件的安装方式和腔体结构，选用波导短路面与微带电路垂直的方式。微带探针从波导的宽边中心位置插入波导腔中，此处波导传输主模TE10模电场最大，同时需要一个短路面来形成电抗与插入探针形成的电抗抵消。理论上，可以近似假设细探针上电流是按正弦驻波分布[1]：

式中，d为探针插入的深度。

表1 RT/Duriod 5880和石英基片比较

微带探针的输入阻抗：

其中：

式中，β10为矩形波导TE10模的传播常数；a和b分别为波导宽边和窄边的长度。通过调整短路面位置L和探针插入深度d，可以使探针阻抗的电纳X为零，并使辐射电阻R与50Ω微带线匹配，以达到最佳耦合效果[2]。通过精确的理论计算，采用低阻抗线匹配的探针结构，改善微带线的功率损耗（如图2所示），可满足功率容量和高精度、低损耗等综合要求。

波导—双鳍线过渡结构的仿真结果如图3所示，波导转微带在工作92GHz～96GHz范围内，插损小于0.4dB，回波损耗优于-18dB，满足设计使用要求。

图2 波导—双鳍线过渡结构示意图

图3 波导—双鳍线过渡S参数曲线图

3.2 腔体结构设计

为了保证高频电路的设计稳定性，需要对腔体进行优化设计。根据微波腔体传输的相关理论，尺寸较大的传输腔，会激起数量较多、能量更大的高次模，因此需要压缩腔体内部结构。同时需要结合工艺装配要求，将腔体尺寸控制在一个合理的范围内，通过仿真优化改善空间匹配效果。为满足模块的散热需求，在腔体外部设置了散热结构，增大散热面积，提高散热效率。

图4 功放模块结构示意图

3.3 共晶工艺设计

所采用的2W功放器件直流功耗最大可达20W，需要采用共晶烧结工艺。目前，常见的热沉材料为钼铜/钨铜合金、多层钼铜/钨铜合金、金刚石铜和无氧铜等。金刚石铜导热性最佳，热膨胀系数与芯片材质接近，是最理想的热沉，但价格昂贵，难以加工处理；钼铜/钨铜热沉最常用，热膨胀系数与芯片材质也很接近，但表面光洁度不佳（图5），共晶时容易在芯片与热沉之间产生空洞和汽包，当芯片面积较大时，共晶效果差；无氧铜价格低，工艺处理简单，表面光洁度好，更适于共晶烧结工艺。如图6所示，将功放芯片和无氧铜、钼铜分别共晶后，在X光下检验两种热沉的共晶效果，图中黑色区域中的白色不规则弧圈即为气泡或空洞，在相同工艺条件下，无氧铜热沉空洞率远小于钼铜热沉，共晶效果更好。另外，由于无氧铜的热涨系数为18.6×10-8/℃，GaN材料约为5～6×10-6/℃，前者仅为后者的二十六分之一到三十分之一，当无氧铜作为GaN芯片的热沉时，相对于芯片所产生的热应力可忽略。

图5 高倍显微镜下钼铜与无氧铜表面光洁度比较（左上为钼铜，右下为无氧铜）

3.4 直流偏置保护电路设计

直流偏置电路是模块不可或缺的一部分，不仅需要提供满足射频芯片要求的稳定直流偏置，通过合理设置栅极和漏极的加电时序，还能起到保护功放芯片的作用，特别是对于价格昂贵的W频段功放芯片，保护芯片不受损坏是极具价值的。这里采用ADI的电源逻辑控制单片HMC980LP4馈电，该单片可同时提供正负压，且内部具有自反馈功能，可通过调节栅压，提供满足功放所需的漏极电流，保证输出功率的稳定性。由于内部包含时序控制功能，上电期间，先产生的负压保证功放处于关断状态，功放漏极加上电压后，通过内部反馈，调节栅压，得到所需的漏极电流。类似的掉电保护电路也会使功放芯片安全掉电。掉电期间，功放栅压总是在漏压之后关断，即使漏极短路也是如此。所以，即使HMC980LP4损坏，也能保证功放芯片不被击穿。

此外，对于功放芯片的旁路电容的选取也是不可忽视的问题。放大器外围的旁路电容，主要起到滤波和储能的作用，当电压和电流较小时，旁路电容主要起到滤波作用，储能作用往往被忽视，当电压和电流较大时，如本文设计的功放模块，电压为15V，电流接近1A，需要在放大器外围设置储能量较大的旁路电容，此时普通的贴片电容难以支持功放的稳定工作，这里选用100μF的电解电容作为功放的储能电容。

4 组件实现与测试结果

完成加工与组装的功放模块组件实物图如下图7所示，由驱放模块和末级功放模块组成。

功放模块组件实测输出功率和线性增益数据如表2所列，相应的曲线如图8、9所示，测试条件为射频输入14dBm，总的直流输入为15.8V/1.07A。

图8 W功放输出功率曲线

5 结语

设计了一款W波段功率放大器模块组件，在92GHz～96GHz频率范围内，线性增益34.5dB以上，增益平坦度±0.7dB，输出功率超过2瓦，在94.5GHz处输出功率最大，约2.8瓦。随着频率的升高和输出功率的增大，功率放大器的效率下降严重，该W波段功率放大器模块组件效率为12.5%～16.5%。相对于目前常见的采用功率合成实现的W波段功放模块，该放大模块组件增益高、效率高，且总体尺寸仅 102cm3×44cm3×22.5cm3。