基于電壓調節法的GaN發射組件輸出功率可調研究

張啟帆,周一帆,周 云

(中國船舶集團公司第七二四研究所,江蘇 南京 211153)

0 引言

傳統的固態發射機、發射組件,輸出功率一般恒定不變。但隨著雷達技術的迅猛發展,以及日益復雜的使用場景,要求發射機具有功率可調的功能[1]。

而GaN材料作為第三代半導體材料,與前兩代相比具有工作頻帶寬、工作效率高、使用電壓低等優點,是雷達功率器件目前的主要應用形式[2]。

本文基于S波段GaN發射組件展開研究,通過同時調節組件中所有功放模塊的漏極電壓,實現了發射組件輸出功率可調的功能,同時研究了在電壓變化時,發射組件的功率變化以及相位變化。

1 發射組件工作原理

固態發射組件由三級放大組成。第一級放大器采用一只輸出功率約為30 W的功放單元,作為第二級的激勵。第二級放大器采用一只輸出功率約為300 W的功放模塊,作為第三級的激勵。第三級放大器則采用四路800 W功放單元合成輸出[3]。

發射組件構成框如圖1所示。

圖1 發射組件構成

每個800 W功放單元由4個200 W GaN功放模塊組成,由此可見組件的輸出功率是由這16只GaN功放模塊決定[4]。

通過給發射組件加上電壓,以及輸入初始的射頻激勵信號,便能將信號一級一級放大。最后通過4個800 W功放單元進行有損耗的功率合成,最終輸出功率往往在2 kW左右。

2 調節電壓法實現功率可調

2.1 電壓調節方法

由于組件的輸出功率由16個200 W GaN功放模塊決定的。而功放模塊的輸出功率主要由其激勵功率和漏極電壓決定,在不改變激勵的條件下,功放模塊的輸出功率強弱取決于漏極電壓的大小[5]。

漏壓降低,會使得功放模塊輸出的功率變小,反之依然。但需注意這種調節不可超過GaN功放模塊的安全電壓上限。

為使得發射組件穩定工作,快速地響應故障,組件的每一個GaN功放模塊,都配置了一個獨立的電源調制芯片。組件使用的是BW752芯片,只有滿足使能端EN有效和有TTL控制輸入命令時,才會給功放模塊加上漏壓,保證了模塊的安全使用,調制原理如圖2所示。

實驗時使用安捷倫的儀表電源,型號為N6702A,能實時地控制S發射組件的工作電壓。發射組件測試如圖3所示。

圖3 發射組件測試

2.2 幅相一致性對功率合成的影響

功放組件中的功率分配與合成,幅相一致性是至關重要的指標,如兩路合成,幅相一致性對合成效率的影響的理論計算公式如下:

(1)

(2)

其中P1、P2為兩路輸入功率,P0、Pd為有效輸出功率和耗散功率,θ為輸入兩路信號的相位。由公式可見,合成效率與輸入信號的幅度和相位平衡關系相當大:當一路無輸入時,另一路僅一半的功率有效輸出;當相位相差90°時,輸出功率也僅為兩路輸入功率和的一半差。

因此,當組件電壓回退時,想要在機柜上使用,必須要求其能保證幅度和相位的一致性。

3 測試驗證

發射組件實際測試如圖4所示。

圖4 發射組件實際測試

選擇兩個S發射組件進行測試,編號為01#和02#,進行數據對比。從正常工作電壓24 V開始,每2 V一個步進開始降壓,分別測試兩個組件的輸出功率。

由圖5所示,同一組件電壓回退幅度越大,不同頻率的輸出功率起伏也有變大的趨勢,但總體能保持在一個可以接受的范圍。

圖5 組件降壓功率回退變化

01#組件和02#組件,電壓從24 V下降到14 V時,帶內起伏都控制在1 dB以內,各頻點輸出功率回退達到6 dB。

而當電壓下降到8 V時,各頻點輸出功率回退達到10 dB,滿足10 dB三階可調的要求,而帶內起伏也大體控制在3 dB以內。

而不同的發射組件,在相同的工作頻率下,電壓回退時功率幅度回退一致性較好。

當多個組件降壓后,想要在機柜上合成使用時,除了要保證功率幅值的一致性時,相位的一致性也需要保證。

4 結語

通過調節電壓來改變發射組件的輸出功率,具備操作容易、可靠性高等優點。當從正常工作電壓24 V下降到8 V時,可以實現高達14 dB的功率調節范圍,并且組件帶內起伏在3 dB以內。不同組件降壓調節時,組件間功率幅度差保持在1 dB以內,相位差保持在±13°以內,達到在機柜上使用的條件。

當組件漏極工作電壓從24 V下降到8 V時,不論在哪一種頻率下,組件間功率幅度差都保持在1.2 dB以內,如表1所示。

表1 電壓回退時兩組件功率差值變化

實驗驗證了降壓時兩個組件相位的變化數據,如表2所示,當組件漏極工作電壓從24 V下降到8 V時,不論在哪一種頻率下,組件間相位差都保持在±13°范圍以內,能保證在機柜上正常使用。

表2 電壓回退時兩組件相位差值變化