GaN發(fā)射組件輸出功率可調(diào)技術(shù)研究

郭 輝，周一帆，張啟帆

(中國船舶集團(tuán)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(dǎo)體的主要材料，與一、二代半導(dǎo)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(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，是雷達(dá)系統(tǒng)功率器件應(yīng)用的主要形式和發(fā)展方向。

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

本文的氮化鎵發(fā)射組件是由若干個(gè)氮化鎵功放模塊級(jí)聯(lián)而成。因此，當(dāng)關(guān)斷某個(gè)或者數(shù)個(gè)功放模塊時(shí)，發(fā)射組件的輸出功率會(huì)有不同幅度的減小，從而達(dá)到發(fā)射組件輸出功率可調(diào)的目的。

1 發(fā)射組件工作原理簡介

本文設(shè)計(jì)的發(fā)射組件工作于C波段，主要由前級(jí)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(shí)序及調(diào)制電路和數(shù)字采樣控制電路組成，其原理如圖1所示。

圖1 發(fā)射組件原理

發(fā)射組件輸入的射頻激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過前級(jí)功放模塊放大到100 W左右，后端級(jí)聯(lián)均衡器用于調(diào)平不同頻點(diǎn)的功率值；然后通過四路功率分配器驅(qū)動(dòng)四路800 W功放單元，每一路800 W功放單元由4個(gè)相同的200 W功放模塊構(gòu)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(jìn)行合成，實(shí)現(xiàn)發(fā)射組件輸出功率達(dá)到2 kW。電源時(shí)序和調(diào)制電路負(fù)責(zé)給各個(gè)功放單元提供負(fù)電保護(hù)和脈沖調(diào)制。檢測保護(hù)電路可以實(shí)時(shí)監(jiān)控組件電流、電壓、溫度、輸出功率等參數(shù)并及時(shí)進(jìn)行故障保護(hù)。

2 功率可調(diào)實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)發(fā)射組件的設(shè)計(jì)原理及組成特性，可以通過3種方式實(shí)現(xiàn)組件輸出功率可調(diào)。第一種是調(diào)節(jié)輸入激勵(lì)信號(hào)，使組件內(nèi)部的功放模塊工作在放大區(qū)，此時(shí)輸出功率會(huì)隨著激勵(lì)變化而改變；但本文研究的雷達(dá)發(fā)射組件通常工作在深度飽和區(qū)域，激勵(lì)信號(hào)較小幅度的改變幾乎不會(huì)對輸出功率產(chǎn)生影響，而深度回退激勵(lì)信號(hào)難以保證組件內(nèi)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(diào)節(jié)組件內(nèi)功放模塊工作電壓，在電壓變化時(shí)，功放模塊能保持穩(wěn)定的幅相一致性，但功放模塊工作電壓可調(diào)范圍相對較小，會(huì)極大地限制輸出功率調(diào)節(jié)范圍。

綜合以上考慮，本文選取了第三種即功放關(guān)斷法實(shí)現(xiàn)發(fā)射組件輸出功率可調(diào)，此種方法只需要針對性地設(shè)計(jì)部分電源控制電路、串饋失配反射吸收技術(shù)，再通過程序指令即可關(guān)斷組件內(nèi)部指定功放模塊，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率可調(diào)。

2.1 ARM控制獨(dú)立電源芯片開關(guān)技術(shù)

氮化鎵功放模塊工作在AB類，靜態(tài)電流很大。為了提高發(fā)射組件的效率，需要對功放模塊進(jìn)行漏極調(diào)制。同時(shí)，氮化鎵功放模塊還要求上電時(shí)先加?xùn)艠O負(fù)壓再加漏極正壓，關(guān)電時(shí)先關(guān)漏極正壓再關(guān)柵極負(fù)壓。若順序錯(cuò)誤，會(huì)導(dǎo)致功放模塊損壞。因此筆者設(shè)計(jì)了專門的電源時(shí)序和調(diào)制電路，來實(shí)現(xiàn)對功放模塊加電的控制和保護(hù)。

組件內(nèi)部功放模塊較多，設(shè)計(jì)時(shí)如果采取統(tǒng)一調(diào)制供電的方式，會(huì)產(chǎn)生電流過大、引線過長等問題，不利于發(fā)射組件的穩(wěn)定工作。所以，本文采取獨(dú)立供電及調(diào)制的設(shè)計(jì)，給每一個(gè)功放模塊都單獨(dú)配置了一個(gè)電源時(shí)序和保護(hù)電路。電源調(diào)制電路原理如圖2所示。

圖2 電源調(diào)制電路原理

設(shè)計(jì)中選用中電十三所研制的BW760電源調(diào)制芯片，每個(gè)功放模塊均對應(yīng)一個(gè)單獨(dú)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(dāng)ARM拉低某個(gè)管腳的使能電平，該管腳對應(yīng)的BW760芯片會(huì)關(guān)斷功放模塊的漏極電壓，從而使該功放模塊無法工作，同時(shí)其他功放模塊不受影響，可以正常運(yùn)行。當(dāng)負(fù)壓不正常時(shí)，該路BW760芯片同樣也會(huì)關(guān)斷功放模塊的漏極電壓，從而達(dá)到保護(hù)該模塊的目的。只有當(dāng)ARM控制管腳和負(fù)壓同時(shí)正常，BW760芯片才會(huì)隨著TTL管腳的調(diào)制信號(hào)，同步對漏壓實(shí)行調(diào)制。

2.2 串饋失配反射吸收技術(shù)

4個(gè)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(gè)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(guān)斷某個(gè)功放模塊，無疑會(huì)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(huì)燒毀合成器從而造成組件損壞。

圖3 反射吸收式串饋實(shí)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(cè)邊為輸入/輸出口，中間4個(gè)端口為傳輸端口，當(dāng)有功放模塊被關(guān)斷時(shí)，分配器提供給該模塊的輸入功率便會(huì)被反射回來，被該路的射頻負(fù)載吸收。同時(shí)，由于缺失該路模塊的輸出功率，造成4路合成不一致而產(chǎn)生合成損耗，也會(huì)被該路合成器的負(fù)載吸收。這就保證了合成鏈路失配時(shí)，組件工作的穩(wěn)定性。

3 測試驗(yàn)證

發(fā)射組件正面俯視圖如圖4所示，發(fā)射組件最后一級(jí)功率合成采用了4路800 W功放單元，每個(gè)功放單元包含4個(gè)功放模塊，即總計(jì)16個(gè)功放模塊；通過軟件設(shè)定，分別測試不關(guān)斷任何功放、關(guān)斷4個(gè)功放、關(guān)斷8個(gè)功放和關(guān)斷12個(gè)功放時(shí)，發(fā)射組件的輸出功率變化情況。實(shí)驗(yàn)選取了一只發(fā)射組件進(jìn)行測試，分別記為1#和2#組件。

圖4 發(fā)射組件實(shí)物

測試數(shù)據(jù)如表1—2所示，從表中可以看出在關(guān)斷任意不同數(shù)量的功放模塊時(shí)，兩個(gè)組件的輸出功率帶內(nèi)起伏仍能保持在1 dB范圍，其帶內(nèi)平坦度維持較好。此外，在關(guān)斷相同數(shù)量功放模塊時(shí)，相同的頻點(diǎn)下，不同組件的輸出功率差值也能保持在合理的范圍內(nèi)。通過數(shù)據(jù)可以看出，關(guān)斷4，8，12個(gè)功放模塊時(shí)，分別可實(shí)現(xiàn)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(fā)射組件輸出功率除幅值外，相位也是較為重要的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)測試了關(guān)斷不同數(shù)量功放時(shí)，1#發(fā)射組件的相位數(shù)據(jù)，如圖5所示，同一頻點(diǎn)的相位沒有太大變化，維持在±5°內(nèi)，滿足使用要求。

圖5 發(fā)射組件相位測試

4 結(jié)語

功放關(guān)斷法具有操作簡單、靈活可控、風(fēng)險(xiǎn)較小等優(yōu)點(diǎn)，通過程序關(guān)斷不同數(shù)量的功放模塊，可以自由實(shí)現(xiàn)固態(tài)GaN發(fā)射組件輸出功率在0～12 dB范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，且?guī)?nèi)起伏小于1 dB，相位起伏小于±5°。這一設(shè)計(jì)可以便捷地用于當(dāng)前裝備，大大拓展了發(fā)射組件的應(yīng)用場合。