V波段近距探测毫米波功率放大器设计

 

　　功率放大器是毫米波频段发射机不可缺少的关键部件，输出功率的大小决定了整个系统的作用距离和抗干扰能力。在毫米波系统中，随着频率的升高，单个MMIC芯片的输出功率已经不能满足实际的使用要求，尤其是非大气窗口频段，由于该频段电磁波的传输受氧分子和水蒸气分子吸收而衰减严重。一般应用于军用保密工作及近距雷达探测、通讯系统中，相应的器件输出功率也较小，因此，多采用功率合成的方法，将多个放大器单元组合在一起实现较大的功率输出。

　　放大器工作在V波段，用于一种弹上近距探测系统，充分利用非大气窗口波段的衰减特性实现保密和抗干扰。

　　1 功率放大器的设计

　　1.1 技术指标要求

　　按照系统的基本要求，放大器主要技术指标：工作带宽2 GHz;输出功率≥200 mW;增益20～25 dBm;输入输出口WR15。

　　1.2 功率器件的选取

　　为满足技术指标的要求，选用工作频带较宽的三端FET功率放大器件。选取Eudyna Devices公司的FMM5715X作为功率合成单元，FMM5715X是端口阻抗内匹配为50 Ω的多管合成功率单片。工作频率为57～64 GHz;工作温度范围：-45～+85℃，存储温度范围-55～+125℃;最大允许输入功率3 dBm;可单电源工作，在直流偏置3 V/150 mA条件下，60 GHz频率处典型性能P1 dB为16 dBm，饱和功率17 dBm，小信号增益17 dB。特性参数如图1所示。

　　

 

　　1.3 合成网络设计

　　1.3.1 合成网络总体方案

　　在V波段，单管输出功率远远达不到功率输出需求，即使是采用多管合成的MMIC功率器件，单器件也满足不了技术指标。于是，采用多器件的功率合成技术是完成本项目的必然选择，目前比较成熟的功率合成技术是采用端口驻波较好的两路电桥，由多级级联实现多路合成。设计的放大器即采用基于波导低损耗传输线结构的两路二进制多级功率合成技术，该合成网络由两部分组成，功率驱动级和功率放大合成级，每部分包括3级二进制网络，由波导分支线电桥和波导-微带过渡组成。合成网络框图如图2所示。

　　

 

　　8路功率分配时，每一级网络损耗计为0.3 dB，路径损耗计为0.5 dB;若要使得所有合成时功率器件饱和工作，FMM5715X输入功率应>2 dBm，计入以上损耗后，折算到功率分配网络输入端的功率为12.4 dBm，显然，驱动级由单路FMM5715X足以满足这—要求。

　　当合成网络中所有功率器件均处于饱和工作状态时，对单级损耗为0.3 dB，3级功率合成，由损耗引起的合成效率为80%;若计合成支路间最大幅度和相位不平衡程度分别为3 dB、30°，引起相应合成效率为90%;对8路功率合成，总的合成效率为

　　

 

　　

 

　　当器件饱和工作时，8路合成输出为17+7.07=24.07 dBm或255 mW，满足技术指标要求。电路各部分损耗为4 8 dB，整个合成放大器小信号增益约为29.2 dB。