微波固态功率放大器脉冲调制技术的研究

于洋

（甘肃长风电子科技有限责任公司，甘肃 兰州 730070）

微波固态功率放大器脉冲调制技术的研究

于洋

（甘肃长风电子科技有限责任公司，甘肃 兰州 730070）

本研究设计完成了一款高速微波固态功率放大器漏极脉冲调制电路，脉冲前后沿小于50ns。主要采用高速大电流低内阻的PMOS管为微波固态功率放大器设计了漏极脉冲调制控制电路，较传统电路有很大改进，固态功率放大器的工作状态可随意变换，有功率容量大、效率高、隔离性高等优点。最终基于该调制电路设计了一款C波段高速微波功率放大器，放大器工作频率在5.5GHz±200MHz，放大器实现了低功耗工作，输出信号前后沿小于50ns，降低了工作热损耗。

固态功率放大器；漏极脉冲调制；栅极脉冲调制；上升下降沿

1 概述

当今在各种通信系统和雷达系统中脉冲调制技术已被大量应用。实现脉冲调制的常用方法是将射频开关与功率放大器串联使用，用射频开关进行微波信号通断切换，而功率放大器处于连续上电工作状态，但常用电路中功放和射频开关是相互独立、分离的，电路的隔离性不够大；当射频开关断开时功率放大器仍处于工作状态，能量消耗过大，造成工作效率低；并可能有部分信号泄漏到低噪声放大器，产生宽频谱噪声干扰接收机工作。

本文中研究的微波固态功率放大器脉冲调制技术完全解决了这些问题，整个电路在没有微波信号时，放大器处于非工作状态，大大提高了电路隔离性，提高了电路工作效率，且电路工作性能良好。

2 脉冲调制原理

本文中研究的微波固态功率放大器脉冲调制技术是将串联的射频开关和功率放大器的工作方式均采用脉冲调制方式工作，通过脉冲信号可以调节功放的工作状态。可通过改变脉冲信号状态改变偏置电压大小和输出端电流的大小，射频开关和放大器可以迅速地转换工作状态（工作状态和非工作状态），把这点应用到基于FET管的放大器的漏极或栅极时，可以有效地实现脉冲信号调制，迅速的改变工作状态，提高发射接收隔离度，提高放大器工作效率。文中电路采用了高速大电流低内阻的PMOS管调制，结合负压掉电保护电路使放大器能在低电压大电流的脉冲状态下工作。

2.1 功率放大管调制方式的选择

功率放大管调制方式有：栅极脉冲调制和漏极脉冲调制两种方式。

栅极脉冲调制通过夹断漏极电流，让放大器处于非工作状态，通过转换栅极电压来实现从静态工作点（工作状态）到非工作条件的转换，如图1，2所示。但如果放大器工作在VDS值左右，静态工作点很低，当让栅极进入到截止区的同时就会增加VDS，很可能进入到击穿区，实际操作中栅极电压比漏极电压的要求更严格，实现起来难度大。

漏极脉冲调制通过周期性地在两个状态之间改变漏极电压（0V和放大器工作所需的电压VDS）来实现放大器工作状态的转换，依据所需的漏极电流的大小来选择具体的电路器件，对于高功率的放大器，可通过使用大电流PMOS管作为驱动来提供脉冲调制电流。

图1 漏极脉冲调制电路

图2 栅极脉冲调制电路

2.2 控制电路的设计

文中微波固态功率放大器工作于脉冲状态，所以采用高速大电流低内阻的PMOS管用于漏极脉冲调制偏置电路，实现微波固态功率放大器脉冲调制状态工作。

由于GaAs器件一般都是需要栅极加负偏压，漏极加正电压，上电时都是先栅极加负偏压，再漏极加正电压，断电时则相反；所以本文采用负电掉电保护和漏极调制一体化设计。脉冲调制采用漏极调制方式来实现，主要优点是能简化偏置网络，驱动功耗小，且具有宽带特性和大的功率容量，并且还能提供很高的开关速度。负电掉电保护电路主要保证了电路在没有负电的情况下，正电不会加到放大管的漏极，从而达到保护放大管器件。

具体的负电掉电保护和漏极调制一体化驱动电路如图3所示。该电路的工作原理是用比较器MAX999实现负电检测，两只三极管实现调制脉冲驱动，PMOS管IRF5305S实现漏极电源开关的作用。当负电掉电或调制脉冲为低电平时，PMOS管IRF5305S关断，停止向功放管供电，从而达到保护功放管和漏极调制的作用。

图3 负压掉电保护电路及漏极调制电路

2.3 漏极脉冲调制电路设计

漏极脉冲调制电路模型图如图4所示，IN为输入端，OUT为输出端，KZ为控制端。输入端增加了电荷存储电容，在实际电路中能有效减小上升沿/下降沿的宽度。当电路开始作用，即电压加到输入端时，电容开始充电，当控制端导通时这些电容都一起放电，从而加快电压的传输，达到减小上升沿/下降沿宽度的效果。为仿真效果更接近实际工作状态，在输出端接了2欧姆的模拟负载电阻。源极S端输入（即加直流电压），栅极G端加控制信号，漏极D端输出。经测试管子导通时线性工作，控制效果良好，输出电压满足要求。

图4 漏极脉冲调制电路模型图

3 放大器选择

MHzto26.5GHz，隔离度最大可达-65dB，功耗小，尺寸为0.74mm×0.45mm×0.15mm。

本次放大器设计共有两级，初级放大器选用TriQuint公司的TGA1328-SCC芯片，芯片增益为16dB，输出功率为25dBm，尺寸为3.4mm*2.3mm，工作电压10V，消耗电流小于300mA；末级放大器选用富士通公司的FLM-5359-4F芯片，此芯片属于内匹配功率管，增益为 10.5dB，输出功率为36.5dBm，工作电压10V，消耗电流小于1950mA，尺寸为21mm×13mm×5.2mm。射频开关选用MACOM TECH公司的MA4SW110芯片，该芯片工作频率50

4 测试结果

通过对整个漏极脉冲调制电路进行测试，脉冲调制电路输入端加一直流电压信号，控制端输入一个上升沿和下降沿为20ns，宽度为10μs/1.5μs的脉冲信号，输出端对地加一个2Ω电阻负载，分别来测试漏极脉冲调制电路输入输出波形和输出前后沿。测试结果如图5，6所示。

图5 调制电路输出波形测试

图6 调制电路输出前后沿测试

从图5和图6测试可看出，漏极脉冲调制电路输出幅度为11.4V，漏极脉冲调制电路输出前后沿小于37ns，电路转换速度较快，满足设计要求。

5 结论

基于上述调制电路设计了一款C波段高速微波功率放大器，放大器工作频率在 5.5GHz± 200MHz，输出功率为3.5W，可以通过调节控制电路的脉冲宽度以及占空比来直接控制功率放大器的工作状态。通过采用漏极脉冲调制方式控制，微波功率放大器在无微波信号时可实现低功耗工作，大大提高了工作效率，降低了工作热损耗，输出信号前后沿小于50ns，达到了设计指标。

［1］ （美）Andrei Grebennikov著，张玉兴，赵宏飞译，射频与微波功率放大器设计［J］.北京：电子工业出版社，2006，4.

［2］ （美）Inder Bahl，Prakash Bhartia著，郑新，赵玉洁，刘永宁等译.微波固态电路设计（第二版）［J］.北京：电子工业出版社，2006，2.

［3］ 徐兴福主编.ADS2008射频电路设计与仿真实例［J］.北京：电子工业出版社，2009，9.

［4］ 黄玉兰编著.《ADS射频电路设计基础与典型应用［J］.北京：人民邮电出版社，2010.1.

［5］ 郑新，李文辉，潘厚忠，等.雷达发射机技术［J］.北京：电子工业出版社，2006，9.

［6］甘仲民，张更新，王华力，等.毫米波通信技术与系统［M］.北京：电子工业出版社，2003.

［7］薛良金.毫米波工程基础［M］.国防工业出版社，1998.

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