GaN發射組件輸出功率可調技術研究

郭 輝，周一帆，張啟帆

(中國船舶集團公司第七二四研究所，江蘇 南京 211153)

0 引言

氮化鎵材料作為第三代半導體的主要材料，與一、二代半導體材料相比，具有工作頻段寬、工作電壓高、單位面積功率密度高、熱傳導率高等優點，是雷達系統功率器件應用的主要形式和發展方向。

對于GaN發射組件，輸出功率大小是最重要的指標之一。大部分工程應用中，一般恒定的發射功率即可滿足要求，但某些特殊場合則要求可變的發射功率。

本文的氮化鎵發射組件是由若干個氮化鎵功放模塊級聯而成。因此，當關斷某個或者數個功放模塊時，發射組件的輸出功率會有不同幅度的減小，從而達到發射組件輸出功率可調的目的。

1 發射組件工作原理簡介

本文設計的發射組件工作于C波段，主要由前級功放模塊、800 W功放單元、均衡器、四路功率分配器、高功率四路合成器及耦合器、電源時序及調制電路和數字采樣控制電路組成，其原理如圖1所示。

圖1 發射組件原理

發射組件輸入的射頻激勵信號，經過前級功放模塊放大到100 W左右，后端級聯均衡器用于調平不同頻點的功率值；然后通過四路功率分配器驅動四路800 W功放單元，每一路800 W功放單元由4個相同的200 W功放模塊構成。最終各路功放單元的輸出功率通過高功率四路功率合成器進行合成，實現發射組件輸出功率達到2 kW。電源時序和調制電路負責給各個功放單元提供負電保護和脈沖調制。檢測保護電路可以實時監控組件電流、電壓、溫度、輸出功率等參數并及時進行故障保護。

2 功率可調實現方法

根據發射組件的設計原理及組成特性，可以通過3種方式實現組件輸出功率可調。第一種是調節輸入激勵信號，使組件內部的功放模塊工作在放大區，此時輸出功率會隨著激勵變化而改變；但本文研究的雷達發射組件通常工作在深度飽和區域，激勵信號較小幅度的改變幾乎不會對輸出功率產生影響，而深度回退激勵信號難以保證組件內部功放模塊的幅相一致性，所以排除此種方法。

第二種方法是調節組件內功放模塊工作電壓，在電壓變化時，功放模塊能保持穩定的幅相一致性，但功放模塊工作電壓可調范圍相對較小，會極大地限制輸出功率調節范圍。

綜合以上考慮，本文選取了第三種即功放關斷法實現發射組件輸出功率可調，此種方法只需要針對性地設計部分電源控制電路、串饋失配反射吸收技術，再通過程序指令即可關斷組件內部指定功放模塊，從而實現輸出功率可調。

2.1 ARM控制獨立電源芯片開關技術

氮化鎵功放模塊工作在AB類，靜態電流很大。為了提高發射組件的效率，需要對功放模塊進行漏極調制。同時，氮化鎵功放模塊還要求上電時先加柵極負壓再加漏極正壓，關電時先關漏極正壓再關柵極負壓。若順序錯誤，會導致功放模塊損壞。因此筆者設計了專門的電源時序和調制電路，來實現對功放模塊加電的控制和保護。

組件內部功放模塊較多，設計時如果采取統一調制供電的方式，會產生電流過大、引線過長等問題，不利于發射組件的穩定工作。所以，本文采取獨立供電及調制的設計，給每一個功放模塊都單獨配置了一個電源時序和保護電路。電源調制電路原理如圖2所示。

圖2 電源調制電路原理

設計中選用中電十三所研制的BW760電源調制芯片，每個功放模塊均對應一個單獨的BW760電源芯片，芯片上使能端分別接至ARM的I/0控制管腳。

如圖2所示，當ARM拉低某個管腳的使能電平，該管腳對應的BW760芯片會關斷功放模塊的漏極電壓，從而使該功放模塊無法工作，同時其他功放模塊不受影響，可以正常運行。當負壓不正常時，該路BW760芯片同樣也會關斷功放模塊的漏極電壓，從而達到保護該模塊的目的。只有當ARM控制管腳和負壓同時正常，BW760芯片才會隨著TTL管腳的調制信號，同步對漏壓實行調制。

2.2 串饋失配反射吸收技術

4個200 W功放模塊和一對小功率4路功率分配/合成器組成一個800 W功放單元。串饋分配/合成器如圖3所示。為了保證功率合成效率，合成鏈路需要匹配良好、幅相一致性較高，所以串饋通常是成對使用的。而關斷某個功放模塊，無疑會破壞合成鏈路匹配性能，這樣引起的失配造成的合成損耗，若不能有效吸收，會燒毀合成器從而造成組件損壞。

圖3 反射吸收式串饋實物

為了解決上述弊端，組件所采用的串饋需要擁有較高的抗失配能力。如圖3所示，串饋為成對使用，以保證合成鏈路的相位匹配；串饋側邊為輸入/輸出口，中間4個端口為傳輸端口，當有功放模塊被關斷時，分配器提供給該模塊的輸入功率便會被反射回來，被該路的射頻負載吸收。同時，由于缺失該路模塊的輸出功率，造成4路合成不一致而產生合成損耗，也會被該路合成器的負載吸收。這就保證了合成鏈路失配時，組件工作的穩定性。

3 測試驗證

發射組件正面俯視圖如圖4所示，發射組件最后一級功率合成采用了4路800 W功放單元，每個功放單元包含4個功放模塊，即總計16個功放模塊；通過軟件設定，分別測試不關斷任何功放、關斷4個功放、關斷8個功放和關斷12個功放時，發射組件的輸出功率變化情況。實驗選取了一只發射組件進行測試，分別記為1#和2#組件。

圖4 發射組件實物

測試數據如表1—2所示，從表中可以看出在關斷任意不同數量的功放模塊時，兩個組件的輸出功率帶內起伏仍能保持在1 dB范圍，其帶內平坦度維持較好。此外，在關斷相同數量功放模塊時，相同的頻點下，不同組件的輸出功率差值也能保持在合理的范圍內。通過數據可以看出，關斷4，8，12個功放模塊時，分別可實現組件輸出功率3，6，12 dB幅度的輸出回退，這基本與理論值一致。

表1 1#組件輸出峰值功率測試/dBm

表2 2#組件輸出峰值功率測試/dBm

發射組件輸出功率除幅值外，相位也是較為重要的參數。實驗測試了關斷不同數量功放時，1#發射組件的相位數據，如圖5所示，同一頻點的相位沒有太大變化，維持在±5°內，滿足使用要求。

圖5 發射組件相位測試

4 結語

功放關斷法具有操作簡單、靈活可控、風險較小等優點，通過程序關斷不同數量的功放模塊，可以自由實現固態GaN發射組件輸出功率在0～12 dB范圍內的動態調節，且帶內起伏小于1 dB，相位起伏小于±5°。這一設計可以便捷地用于當前裝備，大大拓展了發射組件的應用場合。