于洋

（甘肅長風(fēng)電子科技有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070）

微波固態(tài)功率放大器脈沖調(diào)制技術(shù)的研究

于洋

（甘肅長風(fēng)電子科技有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070）

本研究設(shè)計完成了一款高速微波固態(tài)功率放大器漏極脈沖調(diào)制電路，脈沖前后沿小于50ns。主要采用高速大電流低內(nèi)阻的PMOS管為微波固態(tài)功率放大器設(shè)計了漏極脈沖調(diào)制控制電路，較傳統(tǒng)電路有很大改進(jìn)，固態(tài)功率放大器的工作狀態(tài)可隨意變換，有功率容量大、效率高、隔離性高等優(yōu)點(diǎn)。最終基于該調(diào)制電路設(shè)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(shí)現(xiàn)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(tài)功率放大器；漏極脈沖調(diào)制；柵極脈沖調(diào)制；上升下降沿

1 概述

當(dāng)今在各種通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)中脈沖調(diào)制技術(shù)已被大量應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)制的常用方法是將射頻開關(guān)與功率放大器串聯(lián)使用，用射頻開關(guān)進(jìn)行微波信號通斷切換，而功率放大器處于連續(xù)上電工作狀態(tài)，但常用電路中功放和射頻開關(guān)是相互獨(dú)立、分離的，電路的隔離性不夠大；當(dāng)射頻開關(guān)斷開時功率放大器仍處于工作狀態(tài)，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(chǎn)生寬頻譜噪聲干擾接收機(jī)工作。

本文中研究的微波固態(tài)功率放大器脈沖調(diào)制技術(shù)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(tài)，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(diào)制原理

本文中研究的微波固態(tài)功率放大器脈沖調(diào)制技術(shù)是將串聯(lián)的射頻開關(guān)和功率放大器的工作方式均采用脈沖調(diào)制方式工作，通過脈沖信號可以調(diào)節(jié)功放的工作狀態(tài)。可通過改變脈沖信號狀態(tài)改變偏置電壓大小和輸出端電流的大小，射頻開關(guān)和放大器可以迅速地轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)（工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)），把這點(diǎn)應(yīng)用到基于FET管的放大器的漏極或柵極時，可以有效地實(shí)現(xiàn)脈沖信號調(diào)制，迅速的改變工作狀態(tài)，提高發(fā)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(nèi)阻的PMOS管調(diào)制，結(jié)合負(fù)壓掉電保護(hù)電路使放大器能在低電壓大電流的脈沖狀態(tài)下工作。

2.1 功率放大管調(diào)制方式的選擇

功率放大管調(diào)制方式有：柵極脈沖調(diào)制和漏極脈沖調(diào)制兩種方式。

柵極脈沖調(diào)制通過夾斷漏極電流，讓放大器處于非工作狀態(tài)，通過轉(zhuǎn)換柵極電壓來實(shí)現(xiàn)從靜態(tài)工作點(diǎn)（工作狀態(tài)）到非工作條件的轉(zhuǎn)換，如圖1，2所示。但如果放大器工作在VDS值左右，靜態(tài)工作點(diǎn)很低，當(dāng)讓柵極進(jìn)入到截止區(qū)的同時就會增加VDS，很可能進(jìn)入到擊穿區(qū)，實(shí)際操作中柵極電壓比漏極電壓的要求更嚴(yán)格，實(shí)現(xiàn)起來難度大。

漏極脈沖調(diào)制通過周期性地在兩個狀態(tài)之間改變漏極電壓（0V和放大器工作所需的電壓VDS）來實(shí)現(xiàn)放大器工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，依據(jù)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(qū)動來提供脈沖調(diào)制電流。

圖1 漏極脈沖調(diào)制電路

圖2 柵極脈沖調(diào)制電路

2.2 控制電路的設(shè)計

文中微波固態(tài)功率放大器工作于脈沖狀態(tài)，所以采用高速大電流低內(nèi)阻的PMOS管用于漏極脈沖調(diào)制偏置電路，實(shí)現(xiàn)微波固態(tài)功率放大器脈沖調(diào)制狀態(tài)工作。

由于GaAs器件一般都是需要柵極加負(fù)偏壓，漏極加正電壓，上電時都是先柵極加負(fù)偏壓，再漏極加正電壓，斷電時則相反；所以本文采用負(fù)電掉電保護(hù)和漏極調(diào)制一體化設(shè)計。脈沖調(diào)制采用漏極調(diào)制方式來實(shí)現(xiàn)，主要優(yōu)點(diǎn)是能簡化偏置網(wǎng)絡(luò)，驅(qū)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(guān)速度。負(fù)電掉電保護(hù)電路主要保證了電路在沒有負(fù)電的情況下，正電不會加到放大管的漏極，從而達(dá)到保護(hù)放大管器件。

具體的負(fù)電掉電保護(hù)和漏極調(diào)制一體化驅(qū)動電路如圖3所示。該電路的工作原理是用比較器MAX999實(shí)現(xiàn)負(fù)電檢測，兩只三極管實(shí)現(xiàn)調(diào)制脈沖驅(qū)動，PMOS管IRF5305S實(shí)現(xiàn)漏極電源開關(guān)的作用。當(dāng)負(fù)電掉電或調(diào)制脈沖為低電平時，PMOS管IRF5305S關(guān)斷，停止向功放管供電，從而達(dá)到保護(hù)功放管和漏極調(diào)制的作用。

圖3 負(fù)壓掉電保護(hù)電路及漏極調(diào)制電路

2.3 漏極脈沖調(diào)制電路設(shè)計

漏極脈沖調(diào)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(shí)際電路中能有效減小上升沿/下降沿的寬度。當(dāng)電路開始作用，即電壓加到輸入端時，電容開始充電，當(dāng)控制端導(dǎo)通時這些電容都一起放電，從而加快電壓的傳輸，達(dá)到減小上升沿/下降沿寬度的效果。為仿真效果更接近實(shí)際工作狀態(tài)，在輸出端接了2歐姆的模擬負(fù)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(jīng)測試管子導(dǎo)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(diào)制電路模型圖

3 放大器選擇

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

本次放大器設(shè)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(nèi)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(guān)選用MACOM TECH公司的MA4SW110芯片，該芯片工作頻率50

4 測試結(jié)果

通過對整個漏極脈沖調(diào)制電路進(jìn)行測試，脈沖調(diào)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(fù)載，分別來測試漏極脈沖調(diào)制電路輸入輸出波形和輸出前后沿。測試結(jié)果如圖5，6所示。

圖5 調(diào)制電路輸出波形測試

圖6 調(diào)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(diào)制電路輸出幅度為11.4V，漏極脈沖調(diào)制電路輸出前后沿小于37ns，電路轉(zhuǎn)換速度較快，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

基于上述調(diào)制電路設(shè)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(diào)節(jié)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(tài)。通過采用漏極脈沖調(diào)制方式控制，微波功率放大器在無微波信號時可實(shí)現(xiàn)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(dá)到了設(shè)計指標(biāo)。

［1］ （美）Andrei Grebennikov著，張玉興，趙宏飛譯，射頻與微波功率放大器設(shè)計［J］.北京：電子工業(yè)出版社，2006，4.

［2］ （美）Inder Bahl，Prakash Bhartia著，鄭新，趙玉潔，劉永寧等譯.微波固態(tài)電路設(shè)計（第二版）［J］.北京：電子工業(yè)出版社，2006，2.

［3］ 徐興福主編.ADS2008射頻電路設(shè)計與仿真實(shí)例［J］.北京：電子工業(yè)出版社，2009，9.

［4］ 黃玉蘭編著.《ADS射頻電路設(shè)計基礎(chǔ)與典型應(yīng)用［J］.北京：人民郵電出版社，2010.1.

［5］ 鄭新，李文輝，潘厚忠，等.雷達(dá)發(fā)射機(jī)技術(shù)［J］.北京：電子工業(yè)出版社，2006，9.

［6］甘仲民，張更新，王華力，等.毫米波通信技術(shù)與系統(tǒng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［7］薛良金.毫米波工程基礎(chǔ)［M］.國防工業(yè)出版社，1998.

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