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Si微波瓦级功率放大模块的设计与研制

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Si微波瓦级功率放大模块的设计与研制

何宇新　李继国　杨光辉

　　（电子十三所，石家庄　050051）

摘要　介绍了管壳封装的硅微波瓦级功率放大（线性）模块的研制工作。采用芯片组装及内匹配技术，大大减小了模块的体积与重量，且易于级联，有利于整机系统的小型化。关键词　微波功率集成电路　内匹配Design and Research on SiMicrowave┐Watt
Power Amplified Module
　　He Yuxin，LiJiguo，Yang Guanghui
　　（The 13th Institute（Electronics），Shijiazhuang 050051）
Abstract　In this paper，the process ofresearch and the measure ofdesign on P－band Sipower intergrated circuitare specified．The size can be reduced by means ofadopting in－ter－match microwave power bipolar transistor and MMIC．
　　Keywords　Microwave power intergrated circuit　Inter－match

1　前　言
　　随着微电子技术的发展，雷达、通讯等装备要求的电子组件已越来越趋于小型化、集成化，针对这一需要，我们开发研制了系列化Si微波功率模块。该模块工作频率范围在0．05～0．5GHz，线性输出功率可达30dBm以上，放大带宽为100～200MHz，线性放大增益为25～3 0 dB，并采用全密封金属陶瓷管壳封装，密封性好（与Si单管相当），体积小（管壳外形尺寸为23mm×10mm×5．1mm），重量轻。
2　模块设计
2．1　工作原理　
　　本系列模块是采用硅微波功率单片芯片与微波功率管管芯级联而成，然后封装在金属陶瓷带状引线的管壳内。选用达林顿式结构的单片，内有双重负反馈且发射级有强镇流电阻，其动态范围大，增益高，抗静电、抗电冲击、抗烧毁能力强，且输入输出阻抗均为50Ω，可直接级联。硅微波功率晶体管可以对微波信号进行放大，但是由于其输入输出阻抗较低，不便与50Ω系统级联，要想得到较为满意的增益、带宽　　特性，必须对其输入、输出阻抗进行匹配设计。随着内匹配技术的不断发展，宽带放大的匹配网络可以在管壳内部实现。本系列模块就是采用内匹配技术，使微波功率管在相应的工作频率范围内输入、输出阻抗接近50Ω，然后再与微波功率单片直接级联而成。它可直接与50Ω电路系统级联进行功率线性放大，其饱和输出时，输出功率为2W左右。
2．2　电路设计
　　本文中，我们以400～500MHz，G_p≥27dB，P_－₁≥30dBm为例，介绍其中一种功率模块的设计与研制过程。考虑到该模块相对带宽较宽和增益较高，故采用三级级联放大。前两级信号较小，放大功率小，要求的功耗也小，可采用几十到几百毫瓦的小功率晶体管，并采用发射极负反馈电路展宽带宽，将前两级直接耦合。在实际电路中选用了将两级制作在同一芯片上的达林顿形式硅单片线性放大电路（如XN491型），该电路线性放大功率增益为15～18dB，P_－₁≥22dBm，输入输出阻抗接近50Ω。末级功放选用了能承受较大功耗和有良好线性放大性能的微波功率晶体管芯片，由于其输入阻抗较低，同时随着频率的升高，其增益将下降，故我们采用一个T形的匹配网络，提升输入阻抗，使其接近50Ω，以便与前级单片相联接；同时提供一个增益补偿，以保证其平坦度。根据器件的特点，在输出端加一电感L₃进行匹配。
图1给出了功率模块的电原理图。图中，L₁、L₂、C₃组成一个T形网络，为了能粗调和细调C₃，我们采用了大小电容多块并联在同一版图上的MOS电容结构。L₁和L₂较大时，用特制的可
调片式电感；细调则靠金丝引线来调整，L₃也由金丝引线来提供。由于模块为线性功率输出，末级需工作在A类偏置，为了简化外部电路，末级功率管偏置部分的电感、电阻用薄膜工艺制作在微晶玻璃片上，然后粘接在管壳内适当位置，偏置工作点的调整在管壳内部进行。图2给出模块的增益分配图。
　　图中：T₁为单片电路芯片；T₂为微波晶体管芯片；L_c₁＝L_c₂≈1μH；C₁为耦合电容；C₂为匹配电容可调；扼流电感：L₁、L₂、L₃为可调电感；偏置降压电阻：R_f为薄膜电阻可调；匹
配回路：MOS电容C₃可调。
2．3　电路版图设计
　　对于管壳封装的放大器，最主要的特点是体积小，除了要求选用微型元件外，电路版图设计全部在管壳底盘的陶瓷片上，要求简单、紧凑、布局合理且易于调整。设计时要根据频率范围计算波长，再根据基片的厚度及介电常数计算带线的宽度：
介电常数。
　　在实际操作中，可运用计算机优化及合理布线，电路版图用厚膜工艺制作在BeO陶瓷片上，其实际电路尺寸为7．0mm×10mm，封装后其外壳尺寸为23mm×10mm×5．1mm。其外壳形状与尺寸如图3所示：
2．4　可靠性设计原理
　　由于功率模块的功耗较大，故其可靠性也是一个主要问题。可靠性由以下三点来保证：
　　①降额使用。前级单片信号较小，放大功率小，要求的功耗也小，其实际功耗是额定功耗的60％，器件降额使用，可靠性是有保障的。末级放大器件设计主要考虑输出功率、线性度及可靠性。输出功率的大小受器件的最大工作电流、电压和器件结温的限制。设计器件工作电压为12V，工作电流小于280mA，器件最大功耗为3．4W。本电路选用的晶体管管芯的主要电性能指标为：
    V_sus≥24V；
    I_CM≥0．6A；
    P_CM≥4．8W。
　　可见选用此管芯作末级功放器件，充分满足了末级器件降额使用要求，有效保证了模块的可靠性。
　　②热设计。选用密封和散热性能良好的金属全密封管壳作封装，散热性能良好的BeO作基片，将电路直接制作在BeO片上，管芯则直接烧结在基片上，使电路实现了小型化并有良好的散热能力。此外，考虑了模块电路的热设计问题，将前后两级器件分别放在了BeO片的两边，使两个热源有较远距离，避免了热量的过分集中。器件工作时最高结温≤140℃,适合器件长期工作。另外，成熟的电路工艺，管芯、电容的严格检验，都是可靠性的有力保证。
　　③筛选。所用管芯、MOS电容、薄膜电感、电阻均经过严格的镜检，剔除不合格品，成品均经过严格的电老炼、温循等筛选步骤，剔除早期失效品。
3　研制结果
3．1　本模块研制结果　　
　　经过精心设计和调试，本电路实际测试结f_o：400～500MHz；P-1≥30dBm;Gp≥28dB;△Gp≤0.5dB;　输入输出驻波≤1.8。
　　图4给出了模块的G_p与f特性曲线，图5给出了模块的VSWR与f特性曲线。

3．2　推广应用
　　基于相同或相近的设计原理，我们开发研制了一系列产品，其性能指标由表1给出。另外，在0．05～0．5GHz频率范围内，我们还可以根据用户的需要提供产品。
　　

4　结束语
　　本系列模块采用全集成设计，无需外部匹配电路，直接与50Ω系统级联，具有体积小，重量轻，密封性好，可靠性高，使用方便等特点，可广泛应用于雷达、通讯、电视等领域，应用前景广泛。

　　何宇新　女，1990年毕业于河北大学电子系，工程师，主要从事硅微波功率模块及电路的设计与研制工作。
　　李继国　男，高级工程师。长期从事微波功率模块及器件核加固技术研究。
　　杨光辉　男，1993年毕业于成都电子科技大学，工程师，主要从事硅微波功率模块及电路的设计与研制工作。

　　
收稿日期：1999－12－12