L 波段100%國產(chǎn)化2.5KW 級(jí)脈沖功放模塊研究

馮永強(qiáng) 周賢均 徐 浩

（成都宏科微波通信技術(shù)有限公司（國營715 廠），四川 成都 610100）

近年來，隨著半導(dǎo)體行業(yè)的飛速發(fā)展，晶體管的輸出功率和頻率均大幅度提高，推動(dòng)了大功率發(fā)射機(jī)向全固態(tài)化方向發(fā)展[1]，相比較于電子真空管，固態(tài)功放具有：體積小、重量輕、工作電壓低、工作壽命長、可靠性高、脈沖的上升和下降沿良好等特點(diǎn)[2]。

經(jīng)過十幾年的發(fā)展，國內(nèi)固態(tài)功放管單管輸出功率已經(jīng)大大提高，目前國內(nèi)L 波段的單只功放管輸出功率能輸出1KW左右[3]。要獲得更高的功率最有效的辦法就是采用多路功放管進(jìn)行功率合成[4]。功率的合成常用有3 種方式：（1）微帶等分同相功率合成，具有電路簡單，易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是隔離度較差[5]；（2）腔體或者波導(dǎo)結(jié)構(gòu)合成，承受功率大，缺點(diǎn)是體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高[6]；（3）使用90° 電橋作合成，優(yōu)點(diǎn)是插損小、體積小、電路簡單、成本居中[7]。

綜上考慮，本文研究的L 波段脈沖功放模塊（以下簡稱“功放模塊”）采用我司自主研制的90° 大功率電橋作為合成器，實(shí)現(xiàn)功率合成。

1 功放模塊的主要技術(shù)指標(biāo)及組成

功放模塊要完成80MHz 的中頻信號(hào)到1030MHz/1090MHz的頻率變換并完成功率放大與狀態(tài)控制，指標(biāo)如表1。

表1 功放模塊主要指標(biāo)

功放模塊的如圖1 所示。系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：

圖1 L 波段大功率脈沖功放的系統(tǒng)原理框圖

1.1 推動(dòng)級(jí)功放組件: 將80MHz 中頻信號(hào)的送入混頻器與系統(tǒng)提供的本振信號(hào)（頻率：950 MHz 或1170 MHz）進(jìn)行混頻產(chǎn)生發(fā)射頻率信號(hào)（1030 MHz 或1090 MHz），根據(jù)整機(jī)提供的選頻控制信號(hào)（SF）控制微波SPDT、BPF 得到雜波抑制≥75dBc的發(fā)射脈沖信號(hào)。

1.2 推動(dòng)級(jí)放大器單元:完成前級(jí)5W 脈沖功率到大功率輸出，結(jié)合系統(tǒng)對(duì)功率、效率及散熱環(huán)境要求，選擇國產(chǎn)廠家蘇州英諾迅的100W 輸出的LDMOS 管作為末前級(jí)放大管；選該公司的單管800W 輸出能力的GaN 場效應(yīng)管作為末級(jí)合成級(jí)功放管；使用我司自行研制的90° 電橋作為GaN 場效應(yīng)管放大器的功率合成器；

1.3 處理器單元采用中科九度的FPGA，主要實(shí)現(xiàn)：功放模塊內(nèi)部狀態(tài)檢測及控制，對(duì)整機(jī)輸入的TTL 脈沖控制信號(hào)進(jìn)行處理，完成脈沖調(diào)制及輸入微波信號(hào)的時(shí)序嵌套，來控制各級(jí)功放的柵極偏置電壓，與輸入TTL 脈沖信號(hào)控制信號(hào)同步，保證各級(jí)功放工作在脈沖模式。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用模塊化設(shè)計(jì)思路，各子單元單獨(dú)分腔。模塊采用2 層腔體結(jié)構(gòu)，高低頻電路進(jìn)行物理隔離，相互之間采用電纜進(jìn)行電氣連接。既方便調(diào)試及后續(xù)的排錯(cuò)，還能最大程度上避免鏈路各級(jí)間的信號(hào)串?dāng)_。

2 場效應(yīng)管柵極調(diào)制

由工程實(shí)踐可知：脈沖波形的上升沿和下降沿惡化會(huì)增加解調(diào)的誤碼率，而影響脈沖功放上升沿和下降沿的主要因素是電源的調(diào)制方式，電源調(diào)制又分為漏極調(diào)制和柵極調(diào)制[8]。柵極調(diào)制采用柵極脈沖供電，放大器工作狀態(tài)切換時(shí)，不需要很大的電流，電路的復(fù)雜性小；漏級(jí)調(diào)制相對(duì)于柵極調(diào)制熱導(dǎo)電溝道溫度會(huì)降低，因而漏極的脈沖供電相對(duì)直流供電性能有所提升，且可靠性相對(duì)高一些，但漏級(jí)調(diào)制的脈沖的上升和下降沿會(huì)惡化。

針對(duì)兩種調(diào)制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用兩種相結(jié)合的方式：前級(jí)以及驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器采用漏級(jí)調(diào)制，末級(jí)合成級(jí)采用柵極調(diào)制。本文選用的末級(jí)功放管的調(diào)制器自身上升和下降沿約為8ns，末級(jí)功放管自身的沿大約為10ns，因此主要決定最終上升和下降沿的由末級(jí)功放管調(diào)制的直流偏置決定。圖2 是設(shè)計(jì)的末級(jí)功放管的偏置電路。

圖2 末級(jí)功放管偏置電路

圖2 中輸入和輸出各有為50 歐姆的微帶線，該微帶線射頻信號(hào)經(jīng)過的主要通道。輸入VGS為功放管提供柵極負(fù)壓，輸出VDS為功放管提供漏級(jí)電壓，射頻偏置各有一段λ /4 波長的短路線和一個(gè)90° 的扇形區(qū)域，主要是對(duì)直流信號(hào)等效短路，對(duì)射頻信號(hào)等效開路。C1 和C3 功能是濾除掉偏置電壓中的電源紋波以及削減部分外部電壓的尖峰信號(hào)，起到穩(wěn)定功放管的偏置電壓的作用。電容C2 和C4 為射頻旁路電容，調(diào)試過程中可通過調(diào)整C2 和C4 距離λ /4波長的短路線的距離來達(dá)到扼制射頻信號(hào)泄露的效果。柵極電路上的電阻R1 主要功能是對(duì)柵極電路進(jìn)行限流，漏級(jí)上的R2 和C5 主要功能是消除諧振的等效網(wǎng)絡(luò)，由于該功放的等效阻抗為感性復(fù)阻抗，R2 和C5 的加入使得功放管的等效阻抗更接近純阻性負(fù)載，減少射頻和直流的損耗，R2 取值51Ω，C5 取值47uF。

功放管的輸出和輸入匹配電路可簡單等效為一階RC 電路，從RFin端輸入脈沖ui（t）時(shí)，一階RC 電路的等效電路如圖3所示。

圖3 功放管匹配等效電路

由（6）式可知：功放管的一階RC 匹配等效電路的時(shí)間常數(shù)為τ =R1C1，當(dāng)式中Uc（t）的電壓保持不變，τ =R1C1 越大，充放電時(shí)間τ 也就越大。因此功放管匹配電路的電阻和電容的值越大，功放管的上升沿和下降沿也就越大。

通過上訴分析：功放管匹配電路的電阻和電容的值都不能過大，過大會(huì)影響脈沖波形的上升沿和下降沿。因此本文設(shè)計(jì)過程中柵極電阻都是100 歐姆以內(nèi)，電容都是10pF 以內(nèi)。

3 柵極調(diào)制靜態(tài)工作點(diǎn)補(bǔ)償研究

GaN 場效應(yīng)管有柵壓對(duì)漏極電流敏感的特性。在不同溫度條件下，變化的柵極電壓VGS保證穩(wěn)定的漏極電流一直是一大技術(shù)難題。

本文根據(jù)GaN 場效應(yīng)管的特性，在柵極偏置電路中合理串接一只穩(wěn)壓二極管，利用穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性補(bǔ)償了GaN 場效應(yīng)管漏極電流的溫度工作點(diǎn)特性，使功放管的漏極電流能夠穩(wěn)定工作。功放管柵極調(diào)制電路原理如圖4 所示。

如圖4 所示，當(dāng)外部無TTL=0，柵極調(diào)制電路的D1 和U3處于截止?fàn)顟B(tài)，柵極-5V 電源直接加載到功放管的柵極VGS端口，此時(shí)功放管處于夾斷狀態(tài)；當(dāng)外部輸入TTL=1 時(shí)，MOS 管U3 被打開(VGS＜0V)，此時(shí)VGS=VDS≈0V，穩(wěn)壓二極管D1 正向?qū)ǎ瑘D中的R9 等效直流接地，由R6～R9 組成的等效分壓電阻電路形成，-5V 輸入電壓經(jīng)過R9 分壓，被穩(wěn)壓至需要的靜態(tài)工作點(diǎn)VGSO，末級(jí)功放管開始放大。

圖4 功放管柵極調(diào)制的原理框圖

由穩(wěn)壓二極管反向擊穿特性可知：當(dāng)輸入電壓超過穩(wěn)壓二極管的反向擊穿電壓時(shí)，穩(wěn)壓二極管會(huì)穩(wěn)定在其擊穿電壓VZ附近，由于穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓作用，可將VGSO穩(wěn)定在VZ范圍內(nèi)，送入功放管的靜態(tài)電壓始終保持在常溫調(diào)試的工作點(diǎn)上。

4 測試結(jié)果及分析

4.1 功放模塊實(shí)物

我司研制的功放模塊實(shí)物如圖5 所示，體積為：282.5mm（長）× 60.5mm（寬）× 262.5mm（高），功放模塊實(shí)物重量約為4.98kg，做到了小型化、輕量化，功放模塊在全溫度條件下的功耗：+12V/≤1.8A；+28V/≤0.5A；+50V/≤2.2A。經(jīng)計(jì)算DC-RF 的轉(zhuǎn)化效率約為45%（占空比2%條件下測量）。

圖5 功放模塊實(shí)物

4.2 功放模塊測試結(jié)果

功放模塊的測試方案如圖6 所示。

圖6 功放模塊測試方案

按照?qǐng)D6 所示的測試方案，測試的結(jié)果如下：

功放模塊輸出峰值功率：1030MHz 輸出功率≥2500W，1090W 輸出峰值功率≥1250W, 連續(xù)加信號(hào)電老煉24h,功率變化量≤1.8%,圖7 為其中一套模塊測試的數(shù)據(jù)。

功放模塊的前后沿：前沿≤35ns,后沿≤38ns，功放模塊實(shí)際的測試值在三溫條件下均滿足≤40ns 的指標(biāo)要求。

模塊的諧雜波抑制均≥75dBc，圖7 為測試的諧雜波信號(hào)情況。

圖7 脈沖輸出波形和雜散抑制

5 結(jié)論

本文研制的功放模塊，實(shí)現(xiàn)了器件的100%國產(chǎn)化，避免國外器件禁運(yùn)等不穩(wěn)定因素帶來的風(fēng)險(xiǎn)；該功放模塊的脈沖上升沿和下降沿≤40ns，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于市場同級(jí)水平；模塊做到了小型化、輕量化，DC-RF 轉(zhuǎn)化效率高等特點(diǎn)。目前該功放模塊已經(jīng)應(yīng)用于我國某重點(diǎn)綜合研究所的多個(gè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。