T/R組件中功放脈沖調(diào)制電路的分析與設(shè)計(jì)

趙瑞華，王振亞，劉文豹

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第十三研究所，石家莊 050051)

T/R組件中功放脈沖調(diào)制電路的分析與設(shè)計(jì)

趙瑞華，王振亞，劉文豹

(中國(guó)電子科技集團(tuán)第十三研究所，石家莊 050051)

針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)T/R組件中應(yīng)用廣泛的GaN脈沖功率放大器，提出一種高壓漏極脈沖調(diào)制電路。該電路包含高集成度的PMOS驅(qū)動(dòng)器和高壓PMOS管SM6103，并包含快速放電通道, 該電路的輸入信號(hào)為T(mén)TL信號(hào)、輸出信號(hào)為+28 V脈沖信號(hào)。測(cè)試結(jié)果顯示調(diào)制輸出信號(hào)的上升沿小于40 ns，下降沿小于50 ns，輸出電壓過(guò)沖小于20%，電流驅(qū)動(dòng)能力大于13 A。該脈沖調(diào)制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小，采用裸芯片以及鋁絲鍵合工藝，滿(mǎn)足T/R組件小型化的設(shè)計(jì)要求。

相控陣?yán)走_(dá)； T/R組件； 脈沖調(diào)制； PMOS驅(qū)動(dòng)器； 小型化

0 引 言

相控陣?yán)走_(dá)T/R組件中的功率放大器均采用脈沖工作方式，隨著發(fā)射功率效率等指標(biāo)要求的提高，GaN功率器件以其優(yōu)異的性能得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。GaN功率放大器的工作電壓一般較高，調(diào)制電路的性能和結(jié)構(gòu)直接影響功率放大器的性能，因此脈沖調(diào)制電路的設(shè)計(jì)變得尤為重要。特別是在要求T/R組件尺寸小、重量輕的應(yīng)用領(lǐng)域，調(diào)制電路也應(yīng)盡量簡(jiǎn)化來(lái)滿(mǎn)足T/R組件的小型化設(shè)計(jì)要求[1-3]。

1 功放脈沖調(diào)制電路介紹

1.1 調(diào)制電路

功放的脈沖調(diào)制電路主要分兩種：一種通過(guò)開(kāi)關(guān)切換對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制； 另一種直接對(duì)功放電源進(jìn)行調(diào)制。第一種調(diào)制方法的缺點(diǎn)是當(dāng)開(kāi)關(guān)切斷輸入信號(hào)時(shí)，功放電源仍然加著，因此發(fā)射效率與穩(wěn)定性較低。因此，一般采用電源直接調(diào)制，這種調(diào)制方式根據(jù)調(diào)制放大器電源位置的不同又分為柵極調(diào)制和漏極調(diào)制[4-6]。

1.2 柵極調(diào)制

柵極調(diào)制是指通過(guò)調(diào)制柵極電壓Vg的大小來(lái)改變功放漏源電流的夾斷與導(dǎo)通，以此實(shí)現(xiàn)功放工作狀態(tài)的切換調(diào)制。由于柵極電流很小，驅(qū)動(dòng)電路很好設(shè)計(jì)，可以得到一個(gè)較好的上升下降沿。但由于漏源電流夾斷時(shí)，柵極電壓比較低，功放工作狀態(tài)很容易進(jìn)入擊穿區(qū)導(dǎo)致功放燒毀，穩(wěn)定性差。

1.3 漏極調(diào)制

漏極調(diào)制是指通過(guò)設(shè)計(jì)電源開(kāi)關(guān)電路改變功放漏極的電壓狀態(tài)(0 V和正常工作電壓Vd)，以此實(shí)現(xiàn)功放工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)的切換調(diào)制。相對(duì)于柵極調(diào)制，漏極調(diào)制的可靠性與穩(wěn)定性更高，但需要合理設(shè)計(jì)調(diào)制電路來(lái)滿(mǎn)足功放的上升沿和下降沿要求。

之前的功放器件普遍采用GaAs等低壓器件，相應(yīng)的低壓調(diào)制電路比較容易實(shí)現(xiàn)。GaN管芯的漏極工作電壓比GaAs高很多，最高達(dá)到48 V，成熟的低壓調(diào)制電路無(wú)法使用。高壓調(diào)制電路是采用高壓驅(qū)動(dòng)電路加MOS管實(shí)現(xiàn)，根據(jù)MOS管的不同可分為NMOS管調(diào)制電路和PMOS管調(diào)制電路，兩種電路的結(jié)構(gòu)分別如圖1-2所示。

圖1 NMOS管調(diào)制電路示意圖

圖2 PMOS管調(diào)制電路示意圖

NMOS管調(diào)制電路是采用N型金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)作為開(kāi)關(guān)器件，當(dāng)NMOS管的柵極電壓超過(guò)源極電壓一定值時(shí)(10～15 V)，MOS管源漏極導(dǎo)通，功放處于工作狀態(tài)； 當(dāng)柵極電壓等于或小于源極電壓時(shí)，MOS管源漏極截?cái)啵Ψ盘幱诜枪ぷ鳡顟B(tài)。一般系統(tǒng)為功放漏極提供的電壓為系統(tǒng)最高電壓，因此NMOS管調(diào)制電路需要專(zhuān)門(mén)的升壓電路來(lái)提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓，增加電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜度[7-10]，如圖3所示。

圖3 升壓電路示意圖

PMOS管調(diào)制電路的柵極驅(qū)動(dòng)電壓最大值為Vd(漏極電壓值)，不需要額外的升壓電路，電路比較簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，因此得到普遍的使用。

2 PMOS管漏極調(diào)制電路設(shè)計(jì)

2.1 原理與器件介紹

MOS管的驅(qū)動(dòng)電路是PMOS管漏極調(diào)制電路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵，它的性能直接影響調(diào)制輸出信號(hào)的上升下降沿。MOS管是電壓控制方式，理論上不需要電流驅(qū)動(dòng)，但MOS管的柵極是容性輸入(柵源GS、柵漏GD之間存在寄生電容)，當(dāng)脈沖調(diào)制時(shí)，相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)器給MOS管柵極的電容充放電； 充電時(shí)驅(qū)動(dòng)器需要提供一定的電荷，柵極等效于一個(gè)瞬間的短路，放電時(shí)驅(qū)動(dòng)器需要短時(shí)間內(nèi)吸入柵極釋放出的電荷，因此驅(qū)動(dòng)器需要一定的瞬態(tài)電流驅(qū)動(dòng)能力，所提供的驅(qū)動(dòng)電流越大，MOS管的開(kāi)啟速度越快[11-13]。

由于高壓PMOS管調(diào)制電路中的驅(qū)動(dòng)芯片很少，一般驅(qū)動(dòng)電路需要獨(dú)立元器件來(lái)設(shè)計(jì)，電路面積比較大，不符合T/R組件小型化的需求。本設(shè)計(jì)采用一個(gè)集成度很高的PMOS管柵極驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片內(nèi)部框圖如圖4所示。

圖4 PMOS驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部框圖

該驅(qū)動(dòng)器芯片自帶使能位，輸入TTL信號(hào)，輸出同頻率反向的高壓方波信號(hào)(VDD-10 V和VDD)，而且該芯片集成了MOS管漏極快速放電通路，可以保證MOS管輸出信號(hào)有很好的下降沿，驅(qū)動(dòng)器在調(diào)制信號(hào)邊沿時(shí)可提供的最大瞬時(shí)電流大于14 A。

PMOS管采用Sinopower公司的SM6103，該MOS管漏源電壓可達(dá)到-60 V，電流驅(qū)動(dòng)能力最大為13.9 A，當(dāng)VGS=-10 V時(shí)，MOS管導(dǎo)通漏源內(nèi)阻R<93 mΩ，MOS管電路模型如圖5所示。

圖5 PMOS管SM6103的電路圖

2.2 電路設(shè)計(jì)

本方案設(shè)計(jì)的PMOS管調(diào)制電路原理圖如圖6所示，EN端為-5 V時(shí)驅(qū)動(dòng)器使能工作，輸入端輸入TTL信號(hào)，輸出端OUT引腳輸出與其相位相反頻率相同的高電壓脈沖信號(hào)(高電平VDD、低電平VDD-10 V)。高壓脈沖信號(hào)輸入PMOS管SM6103的柵極，當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)(VDD-10 V)，MOS管源漏導(dǎo)通，功放模塊開(kāi)始工作； 當(dāng)高電平時(shí)，MOS管源漏夾斷，功放的電源去除，功放不工作。

圖6 PMOS脈沖調(diào)制電路設(shè)計(jì)原理圖

調(diào)制電路中PMOS驅(qū)動(dòng)器芯片輸入端與使能端串聯(lián)一個(gè)小電阻保護(hù)端口，VL端與VDD之間串聯(lián)一個(gè)1 μF電容穩(wěn)定輸出波形，防止輸出被干擾。PMOS管的漏極輸出與驅(qū)動(dòng)器PD引腳相連作為功放模塊和MOS管的電荷泄放回路。PMOS管電源輸入端(源端)加儲(chǔ)能電容，另外加兩個(gè)小容值的電容來(lái)濾波，防止過(guò)沖過(guò)大燒毀器件。PMOS管的輸出端(漏端)與功放的輸入端加一定容值的電容濾波，但過(guò)大的電容容易影響調(diào)制信號(hào)的下降沿，因此總?cè)葜挡灰^(guò)1 000 pF。驅(qū)動(dòng)器輸出口到MOS管柵極之間加一個(gè)小電阻，在不影響調(diào)制速度的情況下越大越好。

利用仿真軟件對(duì)該方案電路圖進(jìn)行仿真，PMOS管的調(diào)制輸出信號(hào)仿真結(jié)果如圖7所示，仿真的上升沿小于30 ns，下降沿小于40 ns，高電平為+28 V，低電平為0 V，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖7 調(diào)制電路原理圖仿真結(jié)果

3 設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

應(yīng)用該方案設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用于Ku波段多通道T/R組件的功放脈沖調(diào)制電路，該T/R組件功放采用GaN材料的功率放大器，工作電壓為+28 V。T/R組件通道間距離僅有8.5 mm，去除通道間隔墻后，通道內(nèi)寬度僅有7 mm，調(diào)制電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)空間很小，因此方案內(nèi)的PMOS驅(qū)動(dòng)器芯片和PMOS管均采用裸芯片，利用鋁絲鍵合工藝實(shí)現(xiàn)電氣連接。大容值電容采用封裝陶瓷電容實(shí)現(xiàn)，由于空間有限，電路板采用雙面設(shè)計(jì)，頂層擺放裸芯片和微帶線(xiàn)，背面放置大容值電容。

脈沖調(diào)制電路的重復(fù)頻率為50 kHz、占空比40%(周期2 μs、脈寬800 ns)，利用示波器對(duì)調(diào)制電路進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)不加快速放電通路的時(shí)候，脈沖輸出信號(hào)下降沿有明顯的“拖尾”現(xiàn)象，下降沿達(dá)到了400 ns； 加上快速放電通路后，調(diào)制信號(hào)的上升沿小于40 ns，下降沿小于50 ns，電壓過(guò)沖小于20%，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)T/R組件的功放+28 V脈沖調(diào)制電路，該電路采用高集成度的PMOS管驅(qū)動(dòng)器加高壓PMOS管，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)異，可靠性高。對(duì)應(yīng)用于某Ku波段T/R組件的該調(diào)制電路進(jìn)行測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。該電路可廣泛應(yīng)用于對(duì)小型化有要求的相控陣?yán)走_(dá)T/R組件。

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·簡(jiǎn)訊·

雷神公司的相控陣技術(shù)——輻射單元

自從開(kāi)始探索陣列互耦以來(lái)，相控陣輻射器成功經(jīng)歷了多次改進(jìn)。如今的輻射器具有高效率、高極化純度、寬頻帶和掃描范圍等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)減少了組件數(shù)目和系統(tǒng)成本。器件的演變伴隨著對(duì)電磁現(xiàn)象及其相互作用的理解、仿真和建模的演變，包括從最初的電場(chǎng)偶極子分析到今天復(fù)雜的時(shí)頻域三維全波解算器。

部分第一代的偶極相控陣副射器被雷神應(yīng)用在早期的預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)中，例如雙極化配置的精密航空電子引導(dǎo)設(shè)備相控陣預(yù)警系統(tǒng)(PAVE PAWS)。與此同時(shí)，我們的導(dǎo)彈防御雷達(dá)家庭中使用的波導(dǎo)輻射器也取得了重要進(jìn)展。

印刷電路輻射器，如貼片和重疊貼片，出現(xiàn)在包括銥星全球通信系統(tǒng)在內(nèi)的著名系統(tǒng)中。這種輻射器具有波導(dǎo)腔體輻射器的全部特點(diǎn)，但邊界條件取自陣型列環(huán)境而不是物理單元特性。與以前的方法相比，堆疊式貼片輻射器的工作帶寬擴(kuò)展了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

寬帶輻射器(如維瓦爾第喇叭切口)的出現(xiàn)，滿(mǎn)足了大帶寬系統(tǒng)的需求。喇叭形切口提供了名義上具有線(xiàn)性極化的寬帶性能。它的寬帶特性使它成為具有60°以上掃描范圍的相控陣?yán)走_(dá)的理想選擇。在過(guò)去的10年中，雷神公司開(kāi)創(chuàng)了錐優(yōu)化方法，這使切口長(zhǎng)度壓縮到明顯低于常規(guī)的指數(shù)衰減缺口，同時(shí)也擴(kuò)展了10倍帶寬。使用一對(duì)正交偏振元件，結(jié)合幅度和相位控制，可以實(shí)現(xiàn)任意給定波位上的任意極化方向。

印刷電路輻射器通過(guò)低成本制造技術(shù)開(kāi)啟了未來(lái)成本縮減之門(mén)。圖釘輻射器是一種低剖面天線(xiàn)，這種天線(xiàn)不使用長(zhǎng)嗽叭缺口來(lái)執(zhí)行阻抗變換，而是直接匹配自由空間。每個(gè)圖釘輻射器由一個(gè)平衡-非平衡變壓器饋電，該變壓器嵌入位于基板下面的印刷電路板或者是直接印刷在輻射器架構(gòu)的基底上。這種設(shè)計(jì)可用于從HF到Ku的大頻率范圍。圖釘輻射器在高達(dá)10倍的頻帶范圍內(nèi)容具有一致和固定的相位中心。此外，這種薄平的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常低的交叉極化分量，這是許多先進(jìn)的系統(tǒng)所渴望的特性。

緊耦合偶極陣列(TCDA)也是基于需要超寬帶運(yùn)行和低外形封裝的AESA系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)的。TCDA的設(shè)計(jì)吸取了新型磁介質(zhì)加載材料的優(yōu)點(diǎn)，具有先進(jìn)的介電寬角阻抗匹配(WAIM)結(jié)構(gòu)，從而將有效帶寬推到20倍的范圍。這個(gè)能力可能在最低的運(yùn)動(dòng)頻率上采有1/40波長(zhǎng)的天線(xiàn)深度來(lái)實(shí)現(xiàn)，比相同帶寬上的行波輻射器要薄一個(gè)數(shù)量級(jí)。偶極輻射器的天然特性使其具有雙極化配置的相位中心架構(gòu)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)任意極化合成。得益于減少的高度和平面架構(gòu)，與錐形和更深的輻射器相比，其表現(xiàn)出改進(jìn)的極化純度，尤其是在對(duì)角平面掃描中。

(趙毅寰 天 光)

Analysis and Design of the Power Amplifier Pulse Modulation Circuit for T/R Module

Zhao Ruihua, Wang Zhenya, Liu Wenbao

(The 13th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China)

This paper presents a kind of high-voltage drain pulse modulation circuit for GaN pulse power amplifier which is widely used in the phased array radar T/R module. This circuit contains PMOS driver with high integration and high-voltage PMOS transistor SM6103, and contains a fast discharge channel that the input signal is TTL signal and the output signal is +28 V pulse signal. The test results show that the rising edge of the modulated output signal is less than 40 ns, the falling edge is less than 50 ns, the overshoot of output voltage is less than 20%, and the current-driving capability is greater than 13A. The pulse modulation circuit is simple in structure and small in size, which uses bare chip and Aluminum-wire-bonding process, can meet the design requirements of miniaturization for T/R module.

phased array radar； T/R module； pulse modulation； PMOS driver； miniaturization

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.06.007

2016-08-29

趙瑞華(1972-)，男，河北寧晉人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榛旌霞呻娐返难芯亢凸芾砉ぷ鳌?/p>

TN722.7+5

A

1673-5048(2016)06-0029-04