UHF波段GaN星載固放的設(shè)計(jì)

谷德露

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

隨著國民經(jīng)濟(jì)和軍事現(xiàn)代化的發(fā)展，通信、導(dǎo)航等衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。固態(tài)功率放大器(SSPA)是衛(wèi)星通信中的關(guān)鍵組件，其功率、效率、損耗等均已成為影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)[2]。與傳統(tǒng)的行波管功率放大器相比，SSPA具有重量輕、尺寸小、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)[3]，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，在低頻段SSPA已完全替代了行波管放大器，具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前景[4]。

目前第三代半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)器件具有高功率密度、高擊穿電壓、高輸出功率、高線性等特點(diǎn)[5-6]，已成為近年的研究熱點(diǎn)。在S波段，國外已有輸出功率240W，附加效率60%的GaN器件[7]，國內(nèi)有峰值功率65W,附加效率45%的GaN芯片[8]。在X波段，國外已有輸出12.5 W，附加效率57%的GaN器件[9]，國內(nèi)有輸出功率16 W，附加效率最高52%的GaN器件[10]。

在UHF波段，大功率固放產(chǎn)品主要采用LDMOS器件，但LDMOS器件對(duì)空間輻照較敏感，在星載的特殊環(huán)境下，其性能和可靠性會(huì)受到嚴(yán)重影響，因此無法應(yīng)用于長壽命、高可靠衛(wèi)星中，而GaN材料具有天然抗輻照特性，更適合星載環(huán)境[11]。但GaN器件增益特性較高，在低頻段極易出現(xiàn)自激現(xiàn)象，基于其以上特點(diǎn)，現(xiàn)階段GaN器件主要應(yīng)用于L波段及以上頻率，國內(nèi)關(guān)于其應(yīng)用于UHF頻段固態(tài)功率放大器的研究報(bào)道較少。

本文根據(jù)研究目標(biāo)，采用GaN器件進(jìn)行了UHF波段SSPA的設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果顯示在UHF波段(f0±10 MHz)，輸出功率可達(dá)到48 W，功率增益68 dB，效率達(dá)到50%，三階交調(diào)19.5 dB，在60 ℃環(huán)境下，GaN器件結(jié)溫為155.88 ℃。該固放的研制完成為此頻段的星載GaN固態(tài)功率放大器的研究及GaN器件的高頻低用提供了可行性經(jīng)驗(yàn)。

1 固態(tài)功率放大器方案設(shè)計(jì)

1.1 固態(tài)功率放大器的方案設(shè)計(jì)

固放由射頻單元和電源單元兩部分組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 固態(tài)功率放大器原理框圖

射頻單元包括小信號(hào)放大單元、功率放大單元、溫控和ALC電路單元。為保證輸入、輸出駐波及工作穩(wěn)定性，在固放的輸入端、級(jí)間、輸出端均設(shè)計(jì)有隔離器或環(huán)形器。

小信號(hào)放大單元包括第1級(jí)放大衰減增益模塊和次級(jí)放大器。第1級(jí)放大衰減增益模塊，包含壓控衰減器及2級(jí)小信號(hào)放大單片，封裝在管殼內(nèi)。次級(jí)放大器選用功率單片用于次級(jí)放大。

功率放大單元選用國外某型號(hào)的GaN功率管，將功率放大到48 W進(jìn)行輸出。射頻電路單元原理如圖2所示。

圖2 射頻單元原理框圖

電源單元包含電壓變換電路，提供固放所需的+28 V，+9 V和-5 V電壓，并且通過遙測(cè)指標(biāo)對(duì)整機(jī)各主要性能參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過遙控電路對(duì)固放工作狀態(tài)(開、關(guān))進(jìn)行控制，并對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行必要的保護(hù)(包括欠壓保護(hù)、過流保護(hù)和過溫保護(hù))。

1.2 末級(jí)放大器的設(shè)計(jì)

末級(jí)功率放大器的設(shè)計(jì)是固態(tài)功率放大器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，小信號(hào)放大單元的功耗較小，線性度好，因此固態(tài)功率放大器的功耗、效率、輸出功率等主要指標(biāo)取決于末級(jí)放大器[12]。

以往用于UHF頻段的LDMOS功率管不適合于具有強(qiáng)輻照的星載環(huán)境，而硅、砷化鎵功率管功率芯片存在集成密度低、承受結(jié)溫低、附加效率低等缺點(diǎn)[13]，所以在末級(jí)功率放大器選用了第三代半導(dǎo)體GaN器件。

目前沒有專用于UHF頻段的GaN功率管，寬帶GaN單片器件輸出功率和效率均不能滿足項(xiàng)目要求，現(xiàn)有 GaN器件多用于L、S波段及以上頻段。根據(jù)FET器件增益和輸出功率隨頻率的滾降關(guān)系，可選擇適合輸出功率的GaN功率管，對(duì)其高頻低用，用大信號(hào)模型進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)輸入輸出匹配電路，將其工作頻段降至UHF波段。本項(xiàng)目選用國外某公司的GaN功率管，其主要指標(biāo)如下：(1)16 dB Small Signal Gain at 2.0 GHz；(2)12 dB Small Signal Gain at 4.0 GHz；(3)55 W Typical PSAT；(4)55 % Effciency at PSAT；(5)28 V Operation。

該末級(jí)GaN功率管推薦工作頻段為2 GHz，可工作于4 GHz，將其應(yīng)用于低頻段后增益過高，功率管穩(wěn)定性下降，易出現(xiàn)自激現(xiàn)象，對(duì)末級(jí)功率管的大信號(hào)模型進(jìn)行仿真，得到最大增益和穩(wěn)定因子，如圖3所示。

圖3 末級(jí)功率管穩(wěn)定性仿真

由圖3可知，在低頻段，功率管增益最高達(dá)到35 dB以上，在0.1～2.6 GHz，穩(wěn)定因子k值小于1，此時(shí)功率管工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)末級(jí)功率管增加穩(wěn)定性措施，保證其在全頻段內(nèi)工作穩(wěn)定。具體措施包括：在功率管輸入電路上串聯(lián)小阻值電阻，抵消功率管不穩(wěn)定時(shí)產(chǎn)生的負(fù)阻，提高頻帶穩(wěn)定性；對(duì)地增加電阻、電容網(wǎng)絡(luò)，降低最大增益。

增加穩(wěn)定措施后再對(duì)其進(jìn)行仿真，電路圖如圖4所示，仿真結(jié)果如圖5所示。功率管在0.1～5.6 GHz，穩(wěn)定因子k值均大于1，功率管在工作頻帶內(nèi)工作狀態(tài)穩(wěn)定，最大增益約為30 dB，與增加穩(wěn)定措施前相比，最大增益降低5 dB。

圖4 末級(jí)功率管穩(wěn)定性仿真

圖5 末級(jí)功率管增加穩(wěn)定措施后仿真結(jié)果

末級(jí)功率管采用器件的大信號(hào)模型進(jìn)行了負(fù)載牽引仿真，運(yùn)用諧波平衡(HB)法[14-15]，變換源阻抗值及負(fù)載阻抗值，在史密斯圓圖上找到功率管的等功率及等增益曲線，不斷對(duì)源牽引與負(fù)載牽引進(jìn)行分析，在保證輸出功率及效率滿足指標(biāo)要求的前提下，使前后兩次得到的負(fù)載阻抗差值盡量小。負(fù)載牽引的電路如圖6所示，在最佳阻抗情況下，得到的等功率及等增益圓如圖7所示，電路整體的仿真圖如圖8所示，末級(jí)功率管的實(shí)物圖如圖9所示。

圖6 末級(jí)功率管負(fù)載牽引仿真圖

圖7 末級(jí)功率管負(fù)載牽引等效率、等增益圓仿真圖

圖8 末級(jí)功率管整體仿真圖

圖9 末級(jí)功率管實(shí)物電路圖

2 固態(tài)功率放大器研制結(jié)果

對(duì)固放進(jìn)行了電性能測(cè)試，在f0±10 MHz的工作頻帶內(nèi)，輸出功率48 W，工作效率50%，三階交調(diào)19.5 dB，技術(shù)指標(biāo)研制結(jié)果如表1所示。

表1 固態(tài)功率放大器的研制結(jié)果

根據(jù)表1的實(shí)測(cè)結(jié)果，固放的輸出功率達(dá)48 W，達(dá)到了指標(biāo)要求，固放的整體工作效率達(dá)到50%，固放電源單元的電源轉(zhuǎn)換效率為90%，經(jīng)計(jì)算，固放末級(jí)功率管效率實(shí)際效率達(dá)到60%，與仿真結(jié)果62%基本一致，固放產(chǎn)品的實(shí)物如圖10所示。

圖10 UHF頻段固態(tài)功率放大器

3 結(jié)束語

本文基于第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵器件高功率密度、高擊穿電壓、高輸出功率、高線性等特點(diǎn)完成了UHF波段固態(tài)功率放大器樣機(jī)的設(shè)計(jì)及研制，通過設(shè)計(jì)仿真消除了末級(jí)功率管由于高頻低用產(chǎn)生的不穩(wěn)定狀態(tài)，將在高頻段應(yīng)用的GaN器件應(yīng)用于所需的UHF波段，運(yùn)用仿真軟件進(jìn)行了負(fù)載牽引仿真及匹配電路設(shè)計(jì)、優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了固放在UHF波段48W的功率輸出，固放的整體效率可達(dá)50%，達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)，并給出了測(cè)試結(jié)果及分析。

UHF頻段固態(tài)放大器的研制成功，為GaN器件在UHF頻段星載固放上的應(yīng)用提供了研制經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步研制高功率、高效率的星載固放提供了技術(shù)基礎(chǔ)。