设计要求和方案确定
本文报道一个宽带功率放大器，频率范围为整个Ka频段（26.SGHz—40GHz）。该放大器采用两级放大结构，第一级采用安华高公司的AMMC-5040 MMIc功率驱动放大芯片，第二级采用南京55所的TPA2640MMIc功率放大芯片。由于该放大器工作在毫米波频段，整个电路采用铜制的小腔体内，通过高频接头引出。该放大器最终工作在Ka频段、输出功率为0.5W。
本设计采用两节放大结构，第一级为增益驱动放大，采用高增益宽带AMMC-5040MMIC芯片，该芯片工作在20—45GHz，最高增益为25dB，增益平坦度±1.5dB，输出1dB压缩点为21dBm@38GHz。该芯片的版图如图1，增益曲线为图2。
第二级放大器选用55所的功率放大器TPA2640，该芯片工作频率26—40GHz，增益为22dB，饱和功率放大器输出为27.5dBm。该MMIC芯片的版图如图3，增益曲线如图4，饱和功率输出随频率的变化曲线如图5。
由两个放大器芯片的增益曲线可知，AMMC—5040的高频段增益要小于低频段，而TPA2640正好相反，两个放大器芯片级联使用可以很好地调节整个频段内的增益平坦度。
由于两个放大器芯片都是裸片封装，因此采用压金丝的工艺对两芯片进行连接。两芯片跳金丝的示意图如图6。介质基板板材采用罗杰斯5880，厚度为0.127mm。在Ka频段50欧姆微带线的宽度为0.38mm。
偏置电源的设计
由于两个放大器芯片都需要很大的偏置电流，因此电源的合理设计对整个放大器的性能影响很重要。由于两芯片都需要负压，因此电源设计中引入负压保护电路。负压保护电路的原理图如图7，当负压未接而正压已接的情况下，NPN晶体管的VBB=VEE，晶体管不导通，则电阻R1R2上没有电流，MOs管的栅极与源级电压相同，MOs管不导通，则电路没有电压输出。当接通负压后，NPN管导通，电阻R1，R2有电流通过，MOs管的源级电压大于栅极电压，MOS管导通，电路有12V电压输出。为防止稳压片功率消耗过大产生过高的热量导致稳压片无法正常工作，本设计中采用两路分别供电，每路采用两级降压设计，将功率损耗分摊，降低单一稳压片的热量产生。布线时尽量让各个稳压片的距离拉大，方便散热。
腔体结构设计
由于该放大器工作在毫米波频段，频率比较高，为防止腔体自激频率落入工作频带内，腔体的高度设计比较低。使用Solidworks三维制图软件对该放大器的腔体进行设计，腔体分上下两个腔体，使用螺丝进行固定。为降低传输损耗，腔体采用铜材和表面镀金处理。设计效果图如图8。
加工实物与调试
通过加工和装配，最终设计实物图如图9，采用K接头接信号输入输出。电源板防止在下腔体背面，通过调节电源偏置来调节最大输出功率和增益。通过调试，最终结果为AMMC-5040漏极电压为+6V，栅极电压为0.5V，TPA2640的漏极电压为+4.5V，栅极电压为-0.8V。在该偏置电压下该放大器在26.5GHz—40GHz频段内最大输出功率均大于27dBm，带内平坦度小于3dB，各指标均满足设计要求。
结语
本设计采用MMIc裸片封装的毫米波功率放大器芯片设计一个Ka频段的功率放大器。该放大器采用两级放大器结构，最大输出功率大于0.5W，带内波动小于3dB。采用单片封装，电路紧凑化设计，整个放大器包括接头整体尺寸小于40mm×40mm。由于该组件直接固定在系统的大腔体上，因此散热采用外接腔体散热，长期工作时该放大器温度在设计范围内。