基于GaN的Ka波段功率放大器设计及热分析.pdf

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1、基于GaN的Ka波段功率放大器设计及热分析杨建松2015年1月中图分类号：UDC分类号：基于GaN的Ka波段功率放大器设计及热分析作者姓名杨建松学院名称信息与电子学院指导教师郭德淳副教授答辩委员会主席王学田教授申请学位工学硕士学科专业电子科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月23日DesignandThermalAnalysisoftheKa-bandPowerAmplifierbasedGaNCandidateName:YangJiansongSchoolorDepartment:InformationandElectroni

2、csFacultyMentor:Prof.GuoDechunChair,ThesisCommittee:Prof.WangXuetianDegreeApplied:MasterofPhilosophyMajor:ElectronicScienceandTechnologyDegreeby：BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:January23rd,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论

3、文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要本文主要研究了基于GaN材料的高频功率放大器的设计，以及基本的热分析理论，阐述了热分析在功率放大器设计过程中的必要性。功率放大器是T/R组件的核心部分，相控阵雷达的发展对T/R组件的性能要求越来越高，每组T/R模块都具有独立的接收发射功能，任何一组T/R模块的损坏都不会影响其他模块的工作，这必然将提升系

4、统工作的稳定性。因此T/R模块本身性能就决定着整机工作性能，一方面我们希望T/R模块的性能不断提升，另一方面我们希望尽可能降低T/R模块的体积，降低成本，以使整机朝着小型化的方向发展。T/R模块具有接收发射功能，它的组成部件有滤波器、混频器、放大器、低噪放等，本文紧紧围绕Ka波段研制设计功率放大器，鉴于材料对放大器性能的影响，研制中使用性能颇佳的GaN材料，不论在电子漂移速度方面，还是在击穿电压和禁带宽度等方面，GaN材料都表现出巨大的优势，成为设计高频段功率放大器的最佳选择。为实现小型化，我们采用单片集成技术，这一技术不但能大大降低生产成本，而且放

5、大器的稳定性高、输出功率大。但是同时也将产生另外一个重要的问题，功率放大器在T/R模块中是最主要的热源，管芯集电结产生的热量源源不断地释放出来，这部分热量如果不能得到有效的释放控制，势必会影响T/R模块的工作以及整机性能，因此就必须对功率放大器以及T/R模块进行热分析。本文首先设计仿真出35-37GHz工作频带的功率放大器，其输出功率大于34dBm，功率附加效率大于12%，增益高于9dB，带内增益平坦度小于1.0dB，已达到了最初的设计指标。因MMIC芯片最终需要在LTCC基板上安装来构建T/R组件，在这个过程中就要解决芯片的散热问题。本文在给出三种

6、MMIC装配模型之后，运用ANSYS对三种装配模型依次进行了热仿真分析，从而找出最佳的散热装配模型。装配模型确定之后，影响其散热性能的主要是热通孔的布局，以及通孔尺寸和孔间距。为进一步提高散热性能，文章对散热通孔布局不同的几种模型进行了热仿真分析，最终确定了散热性能与热通孔布局的关系。完成这些工作，就为后期MMIC流片成功实现装配提供了指导。关键字：Ka波段；功率放大器；T/R模块；ANSYS；热分析I北京理工大学硕士学位论文AbstractThispaperstudiesthedesignofhigh-frequencypoweramplifier

7、basedonGaNandthetheoryofthermalanalysis,explainsthenecessityofthermalanalysisintheprocessofthedesignofpoweramplifier.Inrecentyears,theactivephasedarrayradarhasbecomethefocusofacademicresearch,activephasedarrayradarantennaiscomposedbyT/Rmodules,eachT/Rmodulehasaseparatedfunction

8、ofreceiverandtransmitter,anydamagetoagroupofT/Rmodulew