基于GaN HEMT脈沖功率放大器特性的功率控制策略研究

武慶威

(中國人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

在現(xiàn)代電子裝備、通信系統(tǒng)及多功能系統(tǒng)等領(lǐng)域，寬帶功率放大器有廣泛的應(yīng)用，以氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，是繼以硅(Si)為代表的第一代半導(dǎo)體材料和以砷化鎵(GaAs)為代表的第二代半導(dǎo)體材料之后，迅速發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體材料。GaN材料具有寬帶隙、大電子漂移速度、高熱導(dǎo)率、耐高電壓、耐高溫和抗腐蝕及耐輻照等突出優(yōu)點(diǎn)，特別適合制作高頻、高效率、耐高溫及耐高電壓的大功率微波器件，基于GaN的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)具有輸出功率密度大、耐高溫及耐輻照等特點(diǎn)，能滿足電子裝備對微波功率器件更大功率、更高頻率、更小體積和更惡劣條件(更高溫度)下工作的要求[1]。國外在GaN功率放大器芯片方面開展了深入研究，美國、日本和歐洲相繼在GaN微波功率器件，資助并主導(dǎo)GaN微波領(lǐng)域啟動了相關(guān)科研項(xiàng)目，并已報(bào)道了多篇基于GaN HEMT工藝的寬帶功率放大器，TriQuint、Cree及三菱電機(jī)等國外公司也陸續(xù)發(fā)布了各自的GaN MMIC(單片微波集成電路)產(chǎn)品[2-3]。國內(nèi)在GaN技術(shù)應(yīng)用方面也開展了深入的研究，某研究所設(shè)計(jì)開發(fā)出了多種型號的功率放大器組件，如GaN HEMT脈沖功率放大器和GaN內(nèi)匹配功率管等產(chǎn)品。項(xiàng)目組利用國產(chǎn)GaN HEMT脈沖功率放大器設(shè)計(jì)了一套S頻段雷達(dá)模擬器，在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)有效輻射功率6 dB內(nèi)衰減時，寬帶調(diào)頻信號在帶內(nèi)的輸出功率起伏很大，信號質(zhì)量較差。針對出現(xiàn)的這種情況，本文結(jié)合雷達(dá)模擬器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和GaN HEMT脈沖功率放大器工作特性[4]，基于射頻信號空間合成技術(shù)[5]，提出了一種通過控制有源陣列天線功放組件工作單元數(shù)量的方式來實(shí)現(xiàn)有效輻射功率6 dB內(nèi)衰減控制的方法。

1 GaN HEMT脈沖功率放大器工作特性

功率放大器根據(jù)導(dǎo)通角[6]可以分為A類、B類、AB類、C類、D類、E類和F類，其中A類放大器線性度最高，一般在30%～50%左右，但其效率最低；B類放大器線性比A類差，效率比A類高，理想狀態(tài)下效率可達(dá)78%；C類放大器的導(dǎo)通時間比周期短，導(dǎo)通角小于180°，線性很差，理想狀態(tài)下效率可達(dá)100%；D類和E類放大器是開關(guān)模式放大器。為了提高功放的工作效率，保證可靠度，本項(xiàng)目采用國產(chǎn)GaN HEMT脈沖功率放大器工作在C類狀態(tài)，功率放大器靜態(tài)工作點(diǎn)低，功耗小，在大工作比條件下保證功率放大器的熱參數(shù)在安全范圍內(nèi)，這樣做的弊端導(dǎo)致輸出信號功率線性度差。當(dāng)輸入信號功率變小時，功率放大器增益變大，特別是多級功率放大器級聯(lián)后，線性度惡化，因而當(dāng)采取減小雷達(dá)信號產(chǎn)生分系統(tǒng)輸入信號功率來控制雷達(dá)模擬器實(shí)際輸出功率衰減時，雖然能達(dá)到有效輻射功率衰減的目的，但實(shí)際衰減功率不容易控制，輸出功率穩(wěn)定性差，且寬帶調(diào)頻信號在帶內(nèi)的輸出功率起伏很大，信號質(zhì)量差。采用通過控制有源陣列天線功放組件工作單元數(shù)量的方式來實(shí)現(xiàn)有效輻射功率6 dB內(nèi)衰減控制方法，不僅精確控制有效輻射功率的輸出，還能增大雷達(dá)輻射源的波束寬度。

2 有源陣列天線組成

雷達(dá)模擬器主要由有源陣列天線、雷達(dá)信號產(chǎn)生分系統(tǒng)、主控分系統(tǒng)、伺服分系統(tǒng)、局部基準(zhǔn)和供電分系統(tǒng)等組成，其中，有源陣列天線由有源電路(固態(tài)功率放大器)與天線陣列中的每一個輻射單元直接連接而成。每個天線單元增益較低，但是當(dāng)按一定規(guī)則將天線單元排列在一起，形成大的陣面后，在各輻射單元輸入等幅、等相位的大功率信號，即可在陣面法線方向上獲得較高的天線增益。為了獲得較大的有效輻射功率，有源陣列天線采取前置級放大器模塊、推動級放大器模塊和末級放大器模塊多級串聯(lián)的結(jié)構(gòu)[7-8]，陣列天線由56個天線單元組成，每4個天線單元為一組，共14組，功放組件為四通道一個模塊，共14個模塊。有源陣列天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 陣列天線結(jié)構(gòu)圖

3 理論計(jì)算及仿真分析

天線陣列的輻射特性決定單元的數(shù)目、分布形式、單元間距、激勵幅度和相位等[9-10]，控制這些因素可以改變輻射場特征。在本設(shè)計(jì)中為解決輻射功率6 dB內(nèi)衰減問題，采取關(guān)斷末級功放模塊的辦法來實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)整關(guān)斷模塊的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)多種功率衰減控制。

3.1 理論分析

等效輻射功率的理論計(jì)算公式為：

ERP=Pt*Gt。

(1)

式中，ERP為等效輻射功率；Pt為發(fā)射機(jī)總輸出功率；Gt為天線陣面增益。

發(fā)射機(jī)總輸出功率與末級功放組件工作數(shù)量相關(guān)，當(dāng)末級功放組件不工作時，與之連接的天線組件輸入信號幅度等于零，對天線增益無貢獻(xiàn)。因此當(dāng)部分末級功放不工作時，式(1)變?yōu)椋?/p>

ERP=Pt*(14-n)/14*Gt*(14-n)/14，

(2)

式中，n為關(guān)斷模塊數(shù)量。

在不同數(shù)量關(guān)斷模塊數(shù)量方案下，理論計(jì)算功率衰減值如表1所示。

表1 等效輻射功率衰減控制結(jié)果表

關(guān)斷模塊數(shù)量功率衰減值(理論值)/ dB功率衰減值(仿真值)/ dB關(guān)斷2個模塊1.341.26關(guān)斷3個模塊2.092.02關(guān)斷4個模塊2.922.85關(guān)斷5個模塊3.833.72關(guān)斷6個模塊4.864.81關(guān)斷7個模塊6.025.97

3.2 仿真分析

采用ANSYS HFSS軟件[11-12]對天線陣面進(jìn)行仿真，對比不同排列方式、不同單元數(shù)量陣列方向圖特性的影響，仿真結(jié)果見表1。

由表1可以看出：通過關(guān)斷不同數(shù)量的模塊，雷達(dá)模擬器實(shí)際輸出功率能夠?qū)崿F(xiàn)6 dB內(nèi)可控衰減，控制步進(jìn)為1 dB；仿真結(jié)果和理論計(jì)算值基本吻合。

4 實(shí)驗(yàn)測試

4.1 測試方法

在空曠的室外環(huán)境下，采用空間輻射接收的方法對有源陣列天線各個組合合成后波束功率進(jìn)行測試，測試框圖如圖2所示。

圖2 雷達(dá)模擬器有效輻射功率測試框圖

雷達(dá)模擬器有效輻射功率滿足：

P1=Pe-L1+G1-L2，

(3)

式中，P1為頻譜儀接收到的最大功率；Pe為雷達(dá)模擬器等效輸出功率；L1為射頻測試線纜的損耗；L2為射頻信號在空氣中傳播的空間損耗[12]；G1為接收天線的增益。射頻信號在空氣中傳播的空間損耗L2由式(4)確定：

L2=32.4+20*lgD+20*lgF，

(4)

式中，D為接收天線端口至雷達(dá)模擬器天線陣列間的最小水平距離，單位為km；F為射頻信號的頻率，單位為MHz。

通過控制末級功放工作模塊數(shù)量和位置的方法實(shí)現(xiàn)雷達(dá)模擬器輸出功率6 dB內(nèi)衰減控制。對于不工作的模塊，采用40 dB衰減器或50 Ω負(fù)載連接在末級功放組件的輸入端及功分器對應(yīng)的輸出端，防止因輸入端、輸出端開路產(chǎn)生自激對設(shè)備造成損傷。在實(shí)際測試中，對有源陣列天線組件模塊編號如圖3所示。

圖3 有源陣列天線組件模塊編號示意圖

4.2 測試數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

利用遠(yuǎn)控計(jì)算機(jī)、主控分系統(tǒng)和雷達(dá)信號產(chǎn)生分系統(tǒng)，使雷達(dá)模擬器輸出4個不同頻率的脈寬為5 μs，重復(fù)周期為200 μs的單脈沖信號，通過頻譜儀讀取并記錄下各個頻率在不同模塊組合下的接收到的信號最大功率值P1，數(shù)據(jù)記錄如表2所示，對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如表3所示。

表2 數(shù)據(jù)記錄表

關(guān)斷模塊數(shù)量模塊工作情況測試頻點(diǎn)f/GHz,對應(yīng)P1值/dBmf1f2f3f4關(guān)斷0個模塊1～14模塊均工作-15.3-15.7-16.9-16.4關(guān)斷2個模塊2～7、9～14模塊工作,1、8模塊不工作-16.5-17.2-17.6-17.1關(guān)斷3個模塊4～14模塊工作,1、2、3模塊不工作-17.4-18.0-19.4-18.6關(guān)斷4個模塊4～7、9～14模塊工作,1、2、3、8模塊不工作-18.2-18.7-19.6-18.8關(guān)斷5個模塊4～8、11～14模塊工作,1、2、3、9、10模塊不工作-18.7-19.7-21.5-20.1關(guān)斷6個模塊4～7、11～14模塊工作,1、2、3、8、9、10模塊不工作-20.1-21.0-22.4-21.1關(guān)斷7個模塊8～14模塊工作,1～7模塊不工作-21.1-22.0-22.8-21.8

表3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果表

關(guān)斷模塊數(shù)量測試頻點(diǎn)f/GHz,對應(yīng)功率衰減值/dBf1f2f3f4均值關(guān)斷0個模塊00000關(guān)斷2個模塊1.21.50.70.71.0關(guān)斷3個模塊2.12.32.52.22.3關(guān)斷4個模塊2.93.02.72.42.8關(guān)斷5個模塊3.44.04.63.73.9關(guān)斷6個模塊4.85.35.54.75.1關(guān)斷7個模塊5.86.35.95.45.9

由表3可以得出如下結(jié)論：在允許誤差為1 dB的條件下，通過控制輻射單元數(shù)量和組合的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)雷達(dá)模擬器有效輻射功率6 dB內(nèi)衰減的控制，控制步進(jìn)1 dB。

5 結(jié)束語

基于國產(chǎn)GaN功率管工作于C類飽和狀態(tài)的特性，提出了一種通過控制輻射單元數(shù)量和組合的控制策略來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)模擬器有效輻射功率6 dB內(nèi)衰減的控制，仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果均表明允許誤差1 dB范圍內(nèi)該策略合理可行，為雷達(dá)模擬器在實(shí)際使用中解決不同輸出功率要求提供指導(dǎo)意見。