朱海帆

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

毫米波固態(tài)功放的現(xiàn)狀與展望?

朱海帆

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

毫米波高功率功放是毫米波系統(tǒng)發(fā)射信道中的核心設(shè)備，固態(tài)功放因其高可靠性等優(yōu)點(diǎn)將逐步取代傳統(tǒng)的行波管功放?？偨Y(jié)了毫米波固態(tài)功放的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；針對毫米波功率合成、固態(tài)功放線性化等關(guān)鍵技術(shù)，分析了不同技術(shù)途徑的各自特點(diǎn)，并總結(jié)出一些具有實用價值的技術(shù)方法；最后指出了毫米波固態(tài)功放技術(shù)今后的重點(diǎn)研究方向。

毫米波；固態(tài)功放；功率合成；自適應(yīng)線性化；預(yù)失真

1 引言

隨著技術(shù)的日益發(fā)展，目前測控、通信、雷達(dá)及電子對抗系統(tǒng)的工作頻率已上移至毫米波頻段。位于發(fā)射信道末端的高功率功放對系統(tǒng)性能至關(guān)重要，對系統(tǒng)的測控精度、通信質(zhì)量、作用半徑、抗干擾能力等方面有決定性影響。

由于毫米波固態(tài)功率器件的輸出功率有限，長久以來，都是采用行波管（Traveling-wave Tube，TWT）等電真空放大器獲取高功率輸出。隨著半導(dǎo)體工藝水平的不斷提高，采用GaAs材料工藝的毫米波功率器件的輸出功率得以大幅提升，而通過功率合成技術(shù)［1］可將多個功率器件的輸出功率疊加，突破單個功率器件輸出不足的限制。在以上技術(shù)基礎(chǔ)之上，目前毫米波固態(tài)功放技術(shù)發(fā)展迅速，輸出功率已可達(dá)到行波管功放的水平。

相比行波管放大器，固態(tài)功放在工作電壓、可靠性及環(huán)境適應(yīng)性等方面都有明顯的優(yōu)勢，在系統(tǒng)應(yīng)用中受到更多的青睞。

2 毫米波固態(tài)功放研究現(xiàn)狀

毫米波頻段是指波長介于1～10mm的一段電磁頻譜，其應(yīng)用頻率主要集中在Ka頻段（26～40 GHz）、U頻段（40～60 GHz）及W頻段（70～110GHz）。

在上述應(yīng)用頻段中，Ka頻段固態(tài)功放的發(fā)展尤為迅速，已廣泛應(yīng)用于通信、測控、雷達(dá)及電子對抗多個領(lǐng)域。國外已形成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，多家商用公司均在開發(fā)固態(tài)功放產(chǎn)品，其代表為美國Sophia公司和加拿大Advantech公司，查閱公開產(chǎn)品資料得知，其連續(xù)波輸出功率可達(dá)100W，工作頻率覆蓋25～31 GHz。從所掌握的技術(shù)資料推測，其軍用裝備系統(tǒng)中所使用的固態(tài)功放輸出功率超過200W。

在國內(nèi)，目前已有多家科研機(jī)構(gòu)推出了相應(yīng)的Ka頻段固態(tài)功放產(chǎn)品，輸出功率一般在50W以內(nèi)，部分已正式投入工程應(yīng)用。

在技術(shù)難度更大的百瓦級功放方面，國內(nèi)也有所突破。文獻(xiàn)［2］采用波導(dǎo)功率合成技術(shù)研制了工作頻段為35～35.4 GHz的脈沖固態(tài)功放，輸出功率可達(dá)100W。中國西南電子技術(shù)研究所于2010年研制了Ka頻段200W連續(xù)波固態(tài)功放，工作頻段為27～31 GHz，輸出功率可達(dá)250W，填補(bǔ)了國內(nèi)的相關(guān)技術(shù)空白，達(dá)到國外先進(jìn)水平。

U頻段的固態(tài)功放主要用于軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)，如美國先進(jìn)極高頻（AEHF）衛(wèi)星系統(tǒng)的上行鏈路工作頻率為43.5～45.5 GHz，其輸出功率可達(dá)百瓦以上。

在波長極短的3mm頻段（如W頻段），由于器件工藝的限制，以往多采用雪崩二極管注入鎖定放大的方式獲取高功率輸出。而隨著極高頻功率器件的發(fā)展，W頻段的固態(tài)功放也取得了突破性的進(jìn)展。2010年HRL試驗室研制的固態(tài)功率合成放大器輸出功率可達(dá)5.2W［3］。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 功率合成技術(shù)

由于單個固態(tài)功率器件的輸出功率不足，功率合成技術(shù)是目前研制毫米波高功率固態(tài)功放的唯一技術(shù)途徑。

在毫米波頻段，由于介質(zhì)損耗導(dǎo)致平面合成電路的插損急劇上升，無法實現(xiàn)多路高效合成，因而在合成電路設(shè)計中一般大量采用低損耗的矩形波導(dǎo)或同軸腔體結(jié)構(gòu)來提高合成效率。

目前毫米波頻段功率合成的方式較多，各自特點(diǎn)不一而同，下面分別介紹并分析幾種代表性的合成方式。

（1）二進(jìn)制式功率合成

由2n（n為合成級數(shù)）個功分／合成級聯(lián)，構(gòu)成合成網(wǎng)絡(luò)，并將多個功率器件加以合成，是目前應(yīng)用最多的一種合成方式。為降低損耗，通常先由波導(dǎo)與平面電路混合構(gòu)成的合成網(wǎng)絡(luò)將多個芯片合成于單個腔體之內(nèi)，構(gòu)成單元功率模塊。再由低損耗的波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)將多個功率模塊再次合成，進(jìn)一步擴(kuò)展輸出功率。這種合成原理簡單，易于實現(xiàn)，在上百的合成路數(shù)下仍具有較高的合成效率和工作帶寬。但隨著合成級數(shù)的繼續(xù)增加，引入的插損也隨之增大，合成效率會逐步降低，其合成路數(shù)一般限制在256路以內(nèi)。

（2）波導(dǎo)裂縫陣功率合成

利用裂縫陣將波導(dǎo)內(nèi)部的傳輸功率等分耦合，經(jīng)放大后同理合成于波導(dǎo)之內(nèi)，可分為行波式［4］或駐波式［5］。理論上其合成路數(shù)不會影響合成效率，并可進(jìn)行任意路數(shù)功率合成。其電路精度要求極高，不易加工，并且由于電路結(jié)構(gòu)非中心對稱，使其工作帶寬會隨合成路數(shù)增加而變窄，造成其合成規(guī)模有限。

（3）同軸波導(dǎo)功率合成

與上面提到的基于矩形波導(dǎo)的合成方式類似，同軸波導(dǎo)功率合成［6］則是利用同樣具有低損耗特性的同軸腔來完成功率合成，目前主要有徑向波導(dǎo)合成［7］與過模同軸波導(dǎo)合成［8］兩種方式。因其合成電路為并聯(lián)方式，不會像二進(jìn)制級聯(lián)結(jié)構(gòu)那樣因為合成路數(shù)多而導(dǎo)致合成效率下降。由于同軸波導(dǎo)的工作主模是TEM模，沒有截止頻率的限制，其工作帶寬可達(dá)倍頻程以上，適合用于要求寬帶輸出的固態(tài)功放。但這類電路結(jié)構(gòu)無法消除各路中有源器件的駐波和不一致性對合成效率的影響，電路結(jié)構(gòu)決定其散熱困難，對加工工藝要求也較高，通常有源指標(biāo)與理論設(shè)計值有較大差距。

對比以上幾種合成技術(shù)的特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，二進(jìn)制式功率合成原理簡單，可行性高，合成電路的綜合性能指標(biāo)良好，具有較高的工程實用價值。

3.2 毫米波功放線性化技術(shù)

在航天測控、衛(wèi)星通信等應(yīng)用領(lǐng)域中，除了要求高功率輸出外，還要求功放有良好的線性度。而目前毫米波固態(tài)功率器件自身的線性度通常不能滿足系統(tǒng)要求，尤其是三階互調(diào)指標(biāo)差距較大，需要采用線性化技術(shù)來優(yōu)化其指標(biāo)。

常用的線性化技術(shù)方案有預(yù)失真、負(fù)反饋、前饋法等幾種方式，這些方法在諸如移動通信等工作頻率較低的微波信道設(shè)計中均有成熟應(yīng)用。但在毫米波頻段中，負(fù)反饋法和前饋法的電路過于復(fù)雜，精度難以保證，有源器件的性能也有所欠缺，使其應(yīng)用受到限制。而預(yù)失真法由于電路原理簡單，對有源器件的要求也相對較低，因而比較常見地應(yīng)用到Ka及以上頻段，在改善三階互調(diào)的效果上，也能達(dá)到更好的效果。

文獻(xiàn)［9］根據(jù)有源RC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法，用FET設(shè)計了一種預(yù)失真器，用于工作帶寬為27～30 GHz的毫米波功放，三階互調(diào)可改善8.6 dB。

文獻(xiàn)［10］中采用基于單管并聯(lián)二級管的射頻預(yù)失真器，研制了Ka頻段的線性化固態(tài)功放（圖1），其三階互調(diào)優(yōu)化幅度達(dá)到15 dBc，并已投入工程使用。

圖1 采用單個二極管并聯(lián)的預(yù)失真器電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of predistortion linearizer using a parallel Schottky diode

基于微波二極管的射頻預(yù)失真器可直接工作于毫米波頻段，并且線性度優(yōu)化效果明顯，是目前在毫米波頻段可行的一種線性化方法。

4 發(fā)展趨勢展望

總的來看，固態(tài)功放技術(shù)將向著高效率、高線性度和極高頻段（3mm頻段及以上）應(yīng)用幾個方向發(fā)展，研究熱點(diǎn)主要集中在以下幾個方面。

（1）高效率固態(tài)功放

由于半導(dǎo)體工藝的限制，目前毫米波功放單片的效率偏低，使得高功率的毫米波固態(tài)功放整機(jī)功耗大，對配電和散熱的要求較高，在一些特定平臺的應(yīng)用受到限制。

毫米波功放芯片的性能直接決定了固態(tài)功放的工作效率，因而從芯片材料生長和制作工藝上來提高單片功放的效率是最為直接的途徑。目前所使用的砷化鎵（GaAs PHEMT）功放芯片其最高效率可達(dá)20%，而采用第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵（GaN HEMT）則具有更高的功率特性、更好的高頻性能和低噪聲性能［11］。

目前在毫米波器件方面，采用氮化鎵工藝的Ka頻段功放芯片輸出功率最高達(dá)11W，效率最高可到55%；工作于W頻段的功放芯片輸出功率達(dá)到842mW。在不遠(yuǎn)的將來，就將全面取代目前占主導(dǎo)地位的砷化鎵功率器件，毫米波固態(tài)功放的效率也將隨之大幅提升。

設(shè)計合理外圍電路也是提高效率的一種技術(shù)途徑，如包絡(luò)跟蹤技術(shù)［12］和自適應(yīng)可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［13］以及電流堆棧饋電技術(shù)［14］均有較強(qiáng)的參考價值。

（2）自適應(yīng)線性化技術(shù)

射頻預(yù)失真技術(shù)目前成為優(yōu)化毫米波固態(tài)功放線性度的主要技術(shù)途徑，國內(nèi)外在此方面都開展了研究，并取得一定成果。由于一些關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，現(xiàn)階段的毫米波預(yù)失真電路均為開環(huán)電路，在相對固定的條件下可較好地改善功放的線性度，但對變化較大的使用環(huán)境，如功率范圍、工作頻段及溫度等方面適應(yīng)性不強(qiáng)。

在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)之上，如能精確提取功放的非線性參數(shù)，并反饋給自適應(yīng)控制單元，結(jié)合檢測控制電路的優(yōu)化算法，閉環(huán)控制預(yù)失真器的工作狀態(tài)，以自動適應(yīng)多變的工作環(huán)境及使用條件，則可大幅提升線性化電路對功率、溫度和載波參數(shù)的適應(yīng)能力，提升功放的性能和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）空間功率合成

傳統(tǒng)的二進(jìn)制功率合成由于隨著合成級數(shù)增加會導(dǎo)致合成效率下降，使得其合成數(shù)量會受到一定限制，一般不超過256。而目前更高頻段（如W頻段）的功放單片輸出功率極小，如要獲取大功率輸出，需要更大的合成規(guī)模。

空間功率合成是將有源部件的功率耦合到大直徑（過模）的導(dǎo)行波束或波導(dǎo)模，利用截面積大的波束可以將許多器件集中在一個合成級。由于所有器件并聯(lián)工作，損耗基本上與器件數(shù)無關(guān)，系統(tǒng)中的歐姆損耗最小，在海量功率器件合成和高頻段應(yīng)用中優(yōu)點(diǎn)突出。

由于空間功率合成的物理模型復(fù)雜，設(shè)計制造困難，國內(nèi)外均處于研究階段，目前亦取得一定的突破。文獻(xiàn)［15］和文獻(xiàn)［16］介紹了利用透鏡天線和有源陣面組成的空間功率合成系統(tǒng)，其合成數(shù)量分別為512和272。國內(nèi)則針對準(zhǔn)光功率合成［17］開展了研究，并取得了相應(yīng)的研究成果［18］。

隨著W頻段及更高頻段的毫米波系統(tǒng)的發(fā)展，發(fā)射信道將需求更高的輸出功率，空間功率合成技術(shù)作為解決輸出功率難題的主要途徑，將受到更多的關(guān)注。

5 結(jié)論

隨著半導(dǎo)體工藝的提升和功率合成技術(shù)的發(fā)展，毫米波固態(tài)功放的輸出功率已突破百瓦，行波管功放不再是毫米波高功率發(fā)射信道的唯一選擇，固態(tài)功放相比行波功放有著多方面的技術(shù)優(yōu)勢，已成為毫米波高功放發(fā)展的主流趨勢。

目前毫米波固態(tài)功放技術(shù)正處于高速發(fā)展時期，工程需求十分旺盛。本文結(jié)合國內(nèi)外一些典型的產(chǎn)品，介紹了毫米波固態(tài)功放的研究現(xiàn)狀，并分析了固態(tài)功放設(shè)計中的一些關(guān)鍵技術(shù)的特點(diǎn)，歸納出一些具有工程實用價值的技術(shù)途徑，指出了毫米波固態(tài)功放將來發(fā)展的一些熱點(diǎn)研究方向，希望對毫米波固態(tài)功放的設(shè)計研究起到一定的參考作用。

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Current Status and Expectation of M illimeter-wave Solid-state Power Am plifiers

ZHU Hai-fan
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

As the core equipmentofmillimeter-wave（MMW）system TX channels，solid-state power amplifier（PA）hasbeen gradually replacing traditional Traveling-wave Tube（TWT）PA due to its superiorities including high reliability.This paper introduces the domestic and foreign development ofMMW solid-state PA researches.Aiming at some key techniques such as power-combining，solid-state PA linearization etc.，it analyses each feature of distinct technical approaches and summarizes some practical technicalmethods.The key directions of the futurework are also investigated.

millimeter-wave（MMW）；solid-state power amplifier；power-combining；adaptive linearization；predistortion

the B.Sdegree and theM.S.degree from the U-niversity of Electronic Science and Technology of China in 2000 and 2004，respectively.He isnow an engineer.His research interests includemillimeter-wave solid-state power amplifier and powercombining techniques.

1001-893X（2012）04-0600-04

2011-09-30；

2012-03-26

TN72

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.04.036

朱海帆（1977—），男，四川成都人，2000年和2004年于電子科技大學(xué)分別獲學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事毫米波固態(tài)功率放大器及功率合成技術(shù)等方面的研究。

Email：zhuhf10＠yahoo.cn

ZHU Hai-fan was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1977.He