L 波段100%国产化2.5KW 级脉冲功放模块研究

2021-12-02冯永强周贤均

科学技术创新 2021年32期

冯永强周贤均徐浩

（成都宏科微波通信技术有限公司（国营715 厂），四川成都 610100）

近年来，随着半导体行业的飞速发展，晶体管的输出功率和频率均大幅度提高，推动了大功率发射机向全固态化方向发展[1]，相比较于电子真空管，固态功放具有：体积小、重量轻、工作电压低、工作寿命长、可靠性高、脉冲的上升和下降沿良好等特点[2]。

经过十几年的发展，国内固态功放管单管输出功率已经大大提高，目前国内L 波段的单只功放管输出功率能输出1KW左右[3]。要获得更高的功率最有效的办法就是采用多路功放管进行功率合成[4]。功率的合成常用有3 种方式：（1）微带等分同相功率合成，具有电路简单，易实现，缺点是隔离度较差[5]；（2）腔体或者波导结构合成，承受功率大，缺点是体积较大，结构复杂，成本高[6]；（3）使用90° 电桥作合成，优点是插损小、体积小、电路简单、成本居中[7]。

综上考虑，本文研究的L 波段脉冲功放模块（以下简称“功放模块”）采用我司自主研制的90° 大功率电桥作为合成器，实现功率合成。

1 功放模块的主要技术指标及组成

功放模块要完成80MHz 的中频信号到1030MHz/1090MHz的频率变换并完成功率放大与状态控制，指标如表1。

表1 功放模块主要指标

功放模块的如图1 所示。系统主要由三部分构成：

图1 L 波段大功率脉冲功放的系统原理框图

1.1 推动级功放组件: 将80MHz 中频信号的送入混频器与系统提供的本振信号（频率：950 MHz 或1170 MHz）进行混频产生发射频率信号（1030 MHz 或1090 MHz），根据整机提供的选频控制信号（SF）控制微波SPDT、BPF 得到杂波抑制≥75dBc的发射脉冲信号。

1.2 推动级放大器单元:完成前级5W 脉冲功率到大功率输出，结合系统对功率、效率及散热环境要求，选择国产厂家苏州英诺迅的100W 输出的LDMOS 管作为末前级放大管；选该公司的单管800W 输出能力的GaN 场效应管作为末级合成级功放管；使用我司自行研制的90° 电桥作为GaN 场效应管放大器的功率合成器；

1.3 处理器单元采用中科九度的FPGA，主要实现：功放模块内部状态检测及控制，对整机输入的TTL 脉冲控制信号进行处理，完成脉冲调制及输入微波信号的时序嵌套，来控制各级功放的栅极偏置电压，与输入TTL 脉冲信号控制信号同步，保证各级功放工作在脉冲模式。

结构设计上采用模块化设计思路，各子单元单独分腔。模块采用2 层腔体结构，高低频电路进行物理隔离，相互之间采用电缆进行电气连接。既方便调试及后续的排错，还能最大程度上避免链路各级间的信号串扰。

2 场效应管栅极调制

由工程实践可知：脉冲波形的上升沿和下降沿恶化会增加解调的误码率，而影响脉冲功放上升沿和下降沿的主要因素是电源的调制方式，电源调制又分为漏极调制和栅极调制[8]。栅极调制采用栅极脉冲供电，放大器工作状态切换时，不需要很大的电流，电路的复杂性小；漏级调制相对于栅极调制热导电沟道温度会降低，因而漏极的脉冲供电相对直流供电性能有所提升，且可靠性相对高一些，但漏级调制的脉冲的上升和下降沿会恶化。

针对两种调制方式的优缺点，本文采用两种相结合的方式：前级以及驱动级放大器采用漏级调制，末级合成级采用栅极调制。本文选用的末级功放管的调制器自身上升和下降沿约为8ns，末级功放管自身的沿大约为10ns，因此主要决定最终上升和下降沿的由末级功放管调制的直流偏置决定。图2 是设计的末级功放管的偏置电路。

图2 末级功放管偏置电路

图2 中输入和输出各有为50 欧姆的微带线，该微带线射频信号经过的主要通道。输入VGS为功放管提供栅极负压，输出VDS为功放管提供漏级电压，射频偏置各有一段λ /4 波长的短路线和一个90° 的扇形区域，主要是对直流信号等效短路，对射频信号等效开路。C1 和C3 功能是滤除掉偏置电压中的电源纹波以及削减部分外部电压的尖峰信号，起到稳定功放管的偏置电压的作用。电容C2 和C4 为射频旁路电容，调试过程中可通过调整C2 和C4 距离λ /4波长的短路线的距离来达到扼制射频信号泄露的效果。栅极电路上的电阻R1 主要功能是对栅极电路进行限流，漏级上的R2 和C5 主要功能是消除谐振的等效网络，由于该功放的等效阻抗为感性复阻抗，R2 和C5 的加入使得功放管的等效阻抗更接近纯阻性负载，减少射频和直流的损耗，R2 取值51Ω，C5 取值47uF。

功放管的输出和输入匹配电路可简单等效为一阶RC 电路，从RFin端输入脉冲ui（t）时，一阶RC 电路的等效电路如图3所示。

图3 功放管匹配等效电路

由（6）式可知：功放管的一阶RC 匹配等效电路的时间常数为τ =R1C1，当式中Uc（t）的电压保持不变，τ =R1C1 越大，充放电时间τ 也就越大。因此功放管匹配电路的电阻和电容的值越大，功放管的上升沿和下降沿也就越大。

通过上诉分析：功放管匹配电路的电阻和电容的值都不能过大，过大会影响脉冲波形的上升沿和下降沿。因此本文设计过程中栅极电阻都是100 欧姆以内，电容都是10pF 以内。

3 栅极调制静态工作点补偿研究

GaN 场效应管有栅压对漏极电流敏感的特性。在不同温度条件下，变化的栅极电压VGS保证稳定的漏极电流一直是一大技术难题。

本文根据GaN 场效应管的特性，在栅极偏置电路中合理串接一只稳压二极管，利用稳压二极管的反向击穿特性补偿了GaN 场效应管漏极电流的温度工作点特性，使功放管的漏极电流能够稳定工作。功放管栅极调制电路原理如图4 所示。

如图4 所示，当外部无TTL=0，栅极调制电路的D1 和U3处于截止状态，栅极-5V 电源直接加载到功放管的栅极VGS端口，此时功放管处于夹断状态；当外部输入TTL=1 时，MOS 管U3 被打开(VGS＜0V)，此时VGS=VDS≈0V，稳压二极管D1 正向导通，图中的R9 等效直流接地，由R6～R9 组成的等效分压电阻电路形成，-5V 输入电压经过R9 分压，被稳压至需要的静态工作点VGSO，末级功放管开始放大。

图4 功放管栅极调制的原理框图

由稳压二极管反向击穿特性可知：当输入电压超过稳压二极管的反向击穿电压时，稳压二极管会稳定在其击穿电压VZ附近，由于稳压二极管的稳压作用，可将VGSO稳定在VZ范围内，送入功放管的静态电压始终保持在常温调试的工作点上。

4 测试结果及分析

4.1 功放模块实物

我司研制的功放模块实物如图5 所示，体积为：282.5mm（长）× 60.5mm（宽）× 262.5mm（高），功放模块实物重量约为4.98kg，做到了小型化、轻量化，功放模块在全温度条件下的功耗：+12V/≤1.8A；+28V/≤0.5A；+50V/≤2.2A。经计算DC-RF 的转化效率约为45%（占空比2%条件下测量）。