S波段小型管殼封裝高增益高可靠功率放大器的設計

周 全

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊050051)

S波段小型管殼封裝高增益高可靠功率放大器的設計

周 全

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊050051)

基于功率放大器模塊化、小型化的發展需求，設計了一種S波段小型管殼封裝、高增益、高可靠線性功率放大器，采用微波薄膜混合集成電路工藝，雙電源供電，將三級放大電路一體化集成到全密封金屬管殼，闡述了功率放大器的高增益、高可靠、小體積設計。測試結果表明放大器功率增益29 dB，1 dB輸出功率大于34 dBm，功率附加效率大于38%，70℃殼溫功率管芯結溫101℃，外形尺寸13 mm×21 mm×5.5 mm。技術指標滿足設計要求，可靠性滿足Ⅰ級降額設計。

混合集成電路；功率放大器；S波段；金屬管殼封裝

0 引 言

現代通信、雷達、遙控遙測等諸多微波電子設備向小型化、輕量化發展，迫切需要各種小體積、高可靠、安裝使用方便的管殼類功率放大器。GaAs微波功率晶體管由于自身具有優越的功率、增益、效率特性且制造工藝成熟、穩定,目前仍成為該類工程配套的關鍵器件[1-2]。以Eudyna公司為代表的國外廠家采用金屬管殼封裝的內匹配功率放大器，由于采用單級放大，功率增益偏低，使用時需要額外增加前級及驅動級以提升整個放大鏈路的增益。

本文設計的S波段高增益線性功率放大器，將三級放大電路一體化集成于表面貼裝金屬管殼，簡化了整機使用，大大縮小了體積，功率管芯達到Ⅰ級降額的熱設計提高了整機長期工作的可靠性[3]，同時在此設計基礎上完成了產品不同頻段的系列化。

1 電路設計

電路采用A類三級放大，見圖1[4]。通過在輸入端加入一定量的純阻Π型衰減網絡適當地調整衰減值,既保證整個放大鏈路增益的調整,又可使輸入端口駐波比得到很好的改善，還能保證輸入端口駐波比在小信號、大信號及高低溫狀態下的變化相對穩定。前2級可通過管芯的S參數利用仿真軟件進行小信號共軛匹配，第1級采用GaAs MMIC放大器提供約30 mW功率，第2級采用GaAs PHEMT管芯提供約500 mW激勵[5]。

圖1 放大器電路原理框圖

末級功率管芯的輸入端由于工作在大信號狀態，其輸入輸出阻抗較低且隨頻率和輸入功率的變化而出現較大的阻抗變化，同時S21也會隨輸入信號的增加而變小。為此，通過合理設計輸入匹配電路提高增益，合理設計輸出匹配提高末級管芯的輸出功率及線性度，滿足最大輸出功率時的最佳外部負載阻抗[6]。末級管芯采用GaAs PHEMT功率管芯，其等效輸入阻抗是電阻和電容的串聯阻抗(見圖2)：

ZS=Rin+1/(jωCin)

(1)

輸入匹配電路可采用T形低通網絡達到降低輸入阻抗和提升增益的目的。

圖2 末級管芯輸入匹配

輸出匹配電路應具備損耗低、諧波抑制度高、輸出功率大、改善輸出駐波及非線性等功能。由于功率放大器的基波輸出功率高，相應的諧波分量也較大，特別是二次和三次諧波的影響不可忽略，輸出駐波較大會惡化帶內增益起伏，產生寄生信號，嚴重時會產生自激振蕩和燒毀功率管芯[7]。末級功率管芯采用一階Γ型切比雪夫低通變阻濾波器的方法將管芯的輸出端口阻抗進行匹配，結合仿真軟件計算出輸出匹配網絡中的各個元件初值，在此基礎上需要不斷地試驗、調試、改善版圖直至電路性能達到最佳值。末級匹配電路見圖3[8]。

圖3 帶直流偏置的末級管芯輸入輸出匹配

圖3中電感采用鍵合金絲引線實現阻抗匹配，電感值為：

(2)

式中:L為金絲電感(nH)；l為金絲長度(mm)；d為金絲直徑(mm)。

圖3中電阻為可調節阻值的薄膜電阻；電容(除C3、C4外)均采用Q值高、溫度系數小(約±50 ppm/℃)的金屬介質半導體(MIS)電容。MIS電容為高介電常數電容(見圖4)，其容值為：

(3)

式中：ε0為真空介質常數(0.088 5 pF/cm)；εr為相對介電常數,εr=40；L為金屬電極的長度，單位cm；W為金屬電極的寬度，單位cm；T為介質厚度，單位cm。

圖4 平板電容示意圖

2 結構設計

為滿足產品管芯結溫達到Ⅰ級降額(Tj≤100 ℃)，示蹤氣體氦(He)細檢漏的漏率(≤2×10-2Pa·cm3/s)要求，兼顧與氧化鋁(Al2O3)陶瓷電路基板的熱應力匹配(熱膨脹系數6.7×10-6/℃)，放大器管殼底座采用鎢銅材料(W85Cu15熱導率170 W/(m·K)，熱膨脹系數7×10-6/℃)，產品各功能管腳采用玻璃絕緣子，墻體采用可伐材料(4J29)，蓋板采用可伐材料(4J42)，采用平行封焊。使用軟件對內腔體尺寸進行仿真，使得腔體的諧振點盡量遠離工作頻率。管殼外形結構見圖5。利用進口設備采用AuSn(80%Au20%Sn)焊料將基片、管芯在N2保護下一次性燒結完成,整個燒結過程時間短，焊料燒結均勻，可通過測量功率管芯結溫的辦法充分驗證管殼結構設計的效果。

圖5 放大器管殼外形圖

產品空間十分有限，內腔體積 (11.0 mm×9.2 mm×3.0 mm)，盡量簡化電路結構，根據增益及電路特點采用三級放大，為避免管芯間相互影響、微帶線間的耦合，版圖設計顯得尤為重要，電路的直流偏置和微波部分均應預留一定的可調節手段。產品間的幅相一致性也是設計中需要重點關注的，充分考慮裝架、鍵合工藝帶來的人為誤差，通過在管殼底座上制作了2條燒結管芯的凸臺，規范了元器件的燒結、裝配鍵合位置，最大限度地控制版圖設計與實際操作帶來的偏差。管芯的排列、管芯間的距離、鍵合線的直徑及電流容量都經過了合理的計算與設計[4-8]。

3 測試結果及分析

對放大器的各項性能指標進行了全面測試。圖6為放大器小信號(Pin=-15 dBm)狀態下增益與頻率的關系圖，圖7為放大器輸入駐波比與頻率的關系圖，圖8為放大器輸出駐波比與頻率的關系圖，圖9為放大器輸出功率與頻率的關系圖，圖10為放大器功率增益與輸入功率的關系圖(放大器輸出接30 dB衰減器)，圖11為放大器傳輸相位與輸入功率的關系圖(放大器輸入-15 dBm的傳輸相位與輸出30 dBm的相位)，圖12為三階交調圖(雙音間隔±0.5 MHz，每音輸出30 dBm，放大器輸出接30 dB衰減器)，圖13為利用顯微紅外熱成像儀測量末級功率管芯的工作結溫圖。

圖6 放大器小信號增益

圖7 放大器輸入駐波比

圖8 放大器輸出駐波比

圖9 放大器輸出功率

圖10 放大器功率增益與輸入功率

圖11 放大器傳輸相位與輸入功率

圖12 放大器三階交調

圖13 管芯結溫圖

Tc=+70 ℃，末級功率管芯結溫為101 ℃，管芯直流功耗5 W(10 V×0.5 A)，算得末級管芯熱阻為：

(4)

式中:TC為管殼溫度；TJ為工作結溫；PD為管芯耗散功率。

4 結束語

成功設計了一種小型化、高增益、高可靠性、高效的線性功率放大器。所有的匹配電路、電阻、電容、電感通過混合集成電路工藝一體化集成到全密封金屬管殼內，解決了小體積管殼與放大器的高增益、大功率的矛盾以及由于體積所限造成元器件密度過高而引起的散熱問題，解決了功率器件高溫電老煉(TA=+85 ℃，1 000 h)性能退化問題。后續將在此基礎上對更高功率輸出做進一步研究。

[1] 胡明春，周志鵬，高鐵.雷達微波新技術[M].北京：電子工業出版社,2013.

[2] 程文芳，盛柏楨.微波半導體功率器件及其應用[J]. 電子與封裝，2003,3(1)：30-31.

[3] 國防科學技術工業委員會.元器件降額準則.GJB/Z 35-1993[S],1993.

[4] HICKMAN I.實用射頻技術手冊[M].4版.張弘，華偉，陳倩等譯.北京：人民郵電出版社,2009.

[5] 王子宇.微波技術基礎[M].北京：北京大學出版社，2003.

[6] 高葆新，胡南山，洪興楠，李浩模，過常寧.微波集成電路[M].北京：國防工業出版社,1995.

[7] GREBENNIKOV A.射頻與微波功率放大器設計[M].張玉興，趙宏飛譯.北京：電子工業出版社,2007.

[8] LICARI J J，ENLOW L R.混合微電路技術手冊[M].朱瑞廉譯 北京：電子工業出版社，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

國家自然科學基金項目，項目編號：61604137