三毫米功率均衡技术研究

1、三毫米功率均衡技术研究本功率均衡器是毫米波功率模块中的关键组成部分，本文根据功率均衡器的陷波特性和实际应用背景，设计并加工测试了多种不同结构的功率均衡器，最后根据项目要求，设计并加工测试了两种功率均衡驱动放大模块。本文主要工作及创新包含以下几点：1.从小型化和高集成度方向出发，相较于本文提出的其他两种功率均衡器，微带线功率均衡器的损耗还是较高，Q值较低，在W频段下的均衡精度较低，在后续工作中可以提供采用介质损耗更小的材料如石英等来提高Q值和均衡精度。2.为了调高均衡器谐振单元的Q值、增加均衡精度，本文还采用了波导结构设计了两种W波段功率均衡器。两种波导结构功率均衡器均采用了传统的矩形波导谐振器

2、作为谐振结构。.第一章绪论因为行波管这类电真空器件结构复杂，且受限于国内工艺条件，国内行波管的增益频率特性曲线在工作频带内通常是不平坦的，这种增益波动就导致每个工作频点的饱和输入功率和饱和输出功率都是不同的6-8。而整个系统中驱动行波管的前级固态功率器件提供的饱和输出功率却是平坦的，因此在输入激励相等的情况下，频带内各频点可能同时存在欠饱和、饱和及过饱和的工作状态，对于工作在连续波模式下的毫米波功率模块来说，通常希望行波管在等激励的条件下，每个工作频点的输出功率都能达到门限值并且在工作频带内的波动要足够小，所以若想得到等输出功率,各频点所要求的输入功率也是不相等的。因此为了使行波管工作在理想状

3、态，需要对行波管的增益频率特性进行相应的均衡，从而使毫米波功率模块的输出功率稳定可靠。因为增益均衡器就是为了解决行波管带内增益不平坦导致的输出功率波动问题，因此增益均衡器也叫做功率均衡器。功率均衡器实际是一种功率匹配器件，它在频带内不同频点产生不同的插入损耗，以此来调整前级固态功放产生的驱动功率，从而使行波管工作在最佳激励状态。毫米波功率模块中的行波管在理想状态下需要等功率输出，所以功率均衡器的衰减频率特性曲线与行波管的增益特性曲线是互补的，如图1-6所示。功率均衡器位于前级固态功率器件之后，对其输出功率进行预校正之后驱动行波管等功率输出，结果如图1-7所示。.第二章功率均衡器基本理论2.1功

4、率均衡器关键指标及分类功率均衡器是毫米波固态功率模块中不可缺少的重要功能器件，将前级的固态功率器件的输出功率均衡后，为行波管提供的驱动输入功率，使MMPM可以输出稳定可靠的发射功率。功率均衡器是一种在工作频带内的不同频点产生不同衰减的二端口器件，因此功率均衡器最重要的指标是均衡曲线，根据MMPM中后级行波管需要的理想输入功率和频率范围，需要采取不同的实现方式且实现难度也不同。此外，还有均衡精度、均衡量和回波损耗等功率均衡器设计的关键指标，每种指标的含义如图2-1所示。功率均衡器的实际均衡曲线与目标均衡曲线的绝对差值就是均衡精度。频带内均衡器最大与最小插损的差值就是均衡量；回避损耗就是功率均衡器

5、输入输出端口回波性能的好坏，回波损耗越大，则容易对前级驱动功放造成损坏。因此均衡器设计过程中，带内均衡精度要尽可能高、回波损耗尽量小、带外插损尽量小。2.2均衡器设计基本原理功率均衡器需要在特定的频点产生特定的衰减，这种衰减特性与我们熟知的陷波器的输出特性相同，因此可以采用多个陷波器级联的方式设计功率均衡器。陷波器的这种衰减特性可以用RLC谐振电路拓扑结构表示28。陷波单元由频率选择结构和能量吸收结构组成，根据选择的传输线类型的不同，频率选择结构也有不同实现形式，比如高低阻抗线、环形谐振器、矩形谐振腔等，能量吸收结构常用的形式有贴片电阻、薄膜电阻、吸波材料等。在微波波段，需要用分布参数元件来实

6、现陷波单元，然后级联不同谐振频率的陷波单元就可以拟合出想要的均衡曲线。在微波频段低频段，通常使用微带线短路线或者开路线实现谐振结构，使用贴片电阻、薄膜电阻实现电磁能量吸收。由传输线理论可以知29，一段长度为/2的短路短截线线或一段长度为/4开路短截线线都可以由一个串联谐振回路来等效，如图2-9所示。.第三章W波段功率均衡器设计.203.1W波段功率均衡器设计方法.203.2基于耦合微带谐振器的功率均衡器设计.223.3基于矩形波导谐振器的功率均衡器设计.323.4基于超材料吸收体的功率均衡器设计.423.5本章小结.50第四章功率均衡放大模块的设计.514.1小功率均衡放大模块设计.514.2

7、大功率均衡驱动模块设计.554.3本章小结.61第五章总结.62.第四章功率均衡放大模块的设计4.1小功率均衡放大模块设计如图4-2所示为功率模块的射频电路基板，基板材质为0.127mm厚度的Rogers5880基板。输入波导口的电磁波经过微带探针耦合到微带线上，然后经过金丝跳丝耦合第一级放大器MWL205输入端，MWL205与微带线通过金丝连接，由中间的传输微带线最后经过衰减器MWA和放大器MWG308放大后，再通过微带探针耦合到输出波导口，射频电路基板除了起到电磁场波转化和传输的作用外，还为两级放大器芯片提供直流偏置电压和电流。整个功率均衡驱动模块中，只有两级放大器为有源器件，其中低噪声放

8、大器MWL205采用+2V电压Vdd和-0.4V电压Vg供电，正常工作电流为81mA；第二级功率放大器MWG309采用+4V电压Vdd和-0.4V电压Vg供电，正常工作电流为108mA。本文选择的直流稳压供电方案为将+8V的输入电压通过两个LM1084稳压芯片后，分别稳压到+2V和+4V，给前后级的放大器芯片漏极供电。然后将+4伏电压通过MAX660芯片得到负压，最后通过分压电路得到-0.4伏的栅压。直流稳压供电电路原理图如4-3所示，装配版图及整体实物如图4-4所示4.2大功率均衡驱动模块设计根据3.1节中功率均衡驱动模块2的指标要求，模块需要在90-100GHz内最大输出功率达到30dBm

9、，输入驻波比小于2.5。与4.1节中小功率均衡驱动模块的设计类似，将整个模块分为功率驱动模块和功率均衡器两个独立的部分，分别测试调试成功后再组合在一起。在W波段满足此输出功率的国产可选芯片很少，且需要足够大的输入功率将其推至饱和输出状态，单靠一级功率放大芯片无法实现，所以本文采用了两级级联放大方案来实现大功率的功率驱动模块。前级放大器为中电55所的P23,采用0.1μm栅长的GaNHEMT工艺制造而成,工作频率为92-96GHz,典型小信号增益为20dB,饱和输出功率为23dBm15V。后级放大器为中电55所的P30，采用0.1μm栅长的GaNHEMT工艺制造而成，工作频率为92-

10、96GHz,典型小信号增益为14.5dB，饱和输出功率为30dBm15V（连续波）。前级放大器P23被推至饱和输出后，其输出功率就可以将后级功放P30推至饱和输出状态，功率驱动模块就可输出30dBm功率。功率均衡器选择3.3节中图3-35所示的大功率容量均衡器。整体方案原理框图如图4-11所示。.第五章总结其中小功率容量均衡器通过在矩形谐振腔底部加载吸收电路来产生陷波响应；由于吸收电路由介质基板及氮化钽薄膜电阻构成，功率容量有限，所以在大功率容量均衡器中，微带探针和匹配吸波负载将谐振腔的电磁能量吸收。波导结构的均衡器均衡精度很高，然而结构却相较于其他形式的均衡器复杂，因此装配容差较小。3.基于超材料吸收体的吸波原理，本文改进并提出了两种吸波结构，并将其安装在标准WR10波导的宽边，通过耦合谐振效应，可以将通过波导的特定频率电磁波选择吸收。基于超材料吸收