微波固態功率放大器脈沖調制技術的研究

于洋

（甘肅長風電子科技有限責任公司，甘肅 蘭州 730070）

微波固態功率放大器脈沖調制技術的研究

于洋

（甘肅長風電子科技有限責任公司，甘肅 蘭州 730070）

本研究設計完成了一款高速微波固態功率放大器漏極脈沖調制電路，脈沖前后沿小于50ns。主要采用高速大電流低內阻的PMOS管為微波固態功率放大器設計了漏極脈沖調制控制電路，較傳統電路有很大改進，固態功率放大器的工作狀態可隨意變換，有功率容量大、效率高、隔離性高等優點。最終基于該調制電路設計了一款C波段高速微波功率放大器，放大器工作頻率在5.5GHz±200MHz，放大器實現了低功耗工作，輸出信號前后沿小于50ns，降低了工作熱損耗。

固態功率放大器；漏極脈沖調制；柵極脈沖調制；上升下降沿

1 概述

當今在各種通信系統和雷達系統中脈沖調制技術已被大量應用。實現脈沖調制的常用方法是將射頻開關與功率放大器串聯使用，用射頻開關進行微波信號通斷切換，而功率放大器處于連續上電工作狀態，但常用電路中功放和射頻開關是相互獨立、分離的，電路的隔離性不夠大；當射頻開關斷開時功率放大器仍處于工作狀態，能量消耗過大，造成工作效率低；并可能有部分信號泄漏到低噪聲放大器，產生寬頻譜噪聲干擾接收機工作。

本文中研究的微波固態功率放大器脈沖調制技術完全解決了這些問題，整個電路在沒有微波信號時，放大器處于非工作狀態，大大提高了電路隔離性，提高了電路工作效率，且電路工作性能良好。

2 脈沖調制原理

本文中研究的微波固態功率放大器脈沖調制技術是將串聯的射頻開關和功率放大器的工作方式均采用脈沖調制方式工作，通過脈沖信號可以調節功放的工作狀態。可通過改變脈沖信號狀態改變偏置電壓大小和輸出端電流的大小，射頻開關和放大器可以迅速地轉換工作狀態（工作狀態和非工作狀態），把這點應用到基于FET管的放大器的漏極或柵極時，可以有效地實現脈沖信號調制，迅速的改變工作狀態，提高發射接收隔離度，提高放大器工作效率。文中電路采用了高速大電流低內阻的PMOS管調制，結合負壓掉電保護電路使放大器能在低電壓大電流的脈沖狀態下工作。

2.1 功率放大管調制方式的選擇

功率放大管調制方式有：柵極脈沖調制和漏極脈沖調制兩種方式。

柵極脈沖調制通過夾斷漏極電流，讓放大器處于非工作狀態，通過轉換柵極電壓來實現從靜態工作點（工作狀態）到非工作條件的轉換，如圖1，2所示。但如果放大器工作在VDS值左右，靜態工作點很低，當讓柵極進入到截止區的同時就會增加VDS，很可能進入到擊穿區，實際操作中柵極電壓比漏極電壓的要求更嚴格，實現起來難度大。

漏極脈沖調制通過周期性地在兩個狀態之間改變漏極電壓（0V和放大器工作所需的電壓VDS）來實現放大器工作狀態的轉換，依據所需的漏極電流的大小來選擇具體的電路器件，對于高功率的放大器，可通過使用大電流PMOS管作為驅動來提供脈沖調制電流。

圖1 漏極脈沖調制電路

圖2 柵極脈沖調制電路

2.2 控制電路的設計

文中微波固態功率放大器工作于脈沖狀態，所以采用高速大電流低內阻的PMOS管用于漏極脈沖調制偏置電路，實現微波固態功率放大器脈沖調制狀態工作。

由于GaAs器件一般都是需要柵極加負偏壓，漏極加正電壓，上電時都是先柵極加負偏壓，再漏極加正電壓，斷電時則相反；所以本文采用負電掉電保護和漏極調制一體化設計。脈沖調制采用漏極調制方式來實現，主要優點是能簡化偏置網絡，驅動功耗小，且具有寬帶特性和大的功率容量，并且還能提供很高的開關速度。負電掉電保護電路主要保證了電路在沒有負電的情況下，正電不會加到放大管的漏極，從而達到保護放大管器件。

具體的負電掉電保護和漏極調制一體化驅動電路如圖3所示。該電路的工作原理是用比較器MAX999實現負電檢測，兩只三極管實現調制脈沖驅動，PMOS管IRF5305S實現漏極電源開關的作用。當負電掉電或調制脈沖為低電平時，PMOS管IRF5305S關斷，停止向功放管供電，從而達到保護功放管和漏極調制的作用。

圖3 負壓掉電保護電路及漏極調制電路

2.3 漏極脈沖調制電路設計

漏極脈沖調制電路模型圖如圖4所示，IN為輸入端，OUT為輸出端，KZ為控制端。輸入端增加了電荷存儲電容，在實際電路中能有效減小上升沿/下降沿的寬度。當電路開始作用，即電壓加到輸入端時，電容開始充電，當控制端導通時這些電容都一起放電，從而加快電壓的傳輸，達到減小上升沿/下降沿寬度的效果。為仿真效果更接近實際工作狀態，在輸出端接了2歐姆的模擬負載電阻。源極S端輸入（即加直流電壓），柵極G端加控制信號，漏極D端輸出。經測試管子導通時線性工作，控制效果良好，輸出電壓滿足要求。

圖4 漏極脈沖調制電路模型圖

3 放大器選擇

MHzto26.5GHz，隔離度最大可達-65dB，功耗小，尺寸為0.74mm×0.45mm×0.15mm。

本次放大器設計共有兩級，初級放大器選用TriQuint公司的TGA1328-SCC芯片，芯片增益為16dB，輸出功率為25dBm，尺寸為3.4mm*2.3mm，工作電壓10V，消耗電流小于300mA；末級放大器選用富士通公司的FLM-5359-4F芯片，此芯片屬于內匹配功率管，增益為 10.5dB，輸出功率為36.5dBm，工作電壓10V，消耗電流小于1950mA，尺寸為21mm×13mm×5.2mm。射頻開關選用MACOM TECH公司的MA4SW110芯片，該芯片工作頻率50

4 測試結果

通過對整個漏極脈沖調制電路進行測試，脈沖調制電路輸入端加一直流電壓信號，控制端輸入一個上升沿和下降沿為20ns，寬度為10μs/1.5μs的脈沖信號，輸出端對地加一個2Ω電阻負載，分別來測試漏極脈沖調制電路輸入輸出波形和輸出前后沿。測試結果如圖5，6所示。

圖5 調制電路輸出波形測試

圖6 調制電路輸出前后沿測試

從圖5和圖6測試可看出，漏極脈沖調制電路輸出幅度為11.4V，漏極脈沖調制電路輸出前后沿小于37ns，電路轉換速度較快，滿足設計要求。

5 結論

基于上述調制電路設計了一款C波段高速微波功率放大器，放大器工作頻率在 5.5GHz± 200MHz，輸出功率為3.5W，可以通過調節控制電路的脈沖寬度以及占空比來直接控制功率放大器的工作狀態。通過采用漏極脈沖調制方式控制，微波功率放大器在無微波信號時可實現低功耗工作，大大提高了工作效率，降低了工作熱損耗，輸出信號前后沿小于50ns，達到了設計指標。

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