陳曉青，呂 偉

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

有源相控陣雷達近年來得到了飛速的發(fā)展，對其核心部件發(fā)射組件提出了更高的要求，在傳統(tǒng)的功率、效率、噪聲等關鍵指標不斷提升的同時，隨著帶寬的不斷增長，發(fā)射組件的相位非線性度被越來越多的系統(tǒng)列為關鍵指標之一。

寬帶有源相控陣雷達系統(tǒng)要求各發(fā)射通道之間相位基本保持一致[1]，組件接收通道工作于線性區(qū)，同一組件各頻點信號渡越時間基本一致，系統(tǒng)可通過對組件某一頻點進行硬件或軟件標校來保證組件帶寬內各頻點相位的一致性；發(fā)射通道往往工作于非線性區(qū)，相位出現(xiàn)非線性壓縮，不同頻點的渡越時間和非線性相移不同，此時系統(tǒng)標校若針對某一頻點標校，其他頻點的相位會出現(xiàn)很大的離散性，影響系統(tǒng)寬帶性能。

本文將針對上述問題研究改善寬帶發(fā)射組件發(fā)射相位非線性度的方法，通過對影響有源器件非線性的主要參數(shù)如 Ggs、Cds、Cgs、Cd進行分析并建模仿真，應用LOAD-PULL工具牽引出最佳阻抗點，根據(jù)阻抗點進行輸入輸出匹配電路的設計和優(yōu)化，最后在組件應用此匹配電路來改善相位非線性指標。傳統(tǒng)的放大器線性技術如前饋、預失真[2]等都以減小非線性相移的絕對值為目標，不適用于本次研究；傳統(tǒng)的線性化技術結構較復雜，對原有電路改動大，且以犧牲電路增益為代價，不利于集成并實現(xiàn)T/R組件的小型化，本文的創(chuàng)新點在于通過改變功率器件匹配狀態(tài)的辦法，來達到改善相位非線性度的目標。

2 相位非線性產生原因

發(fā)射組件的功率放大器工作在飽和狀態(tài)，此時漏電流基本保持不變，負載輸出電壓將被限幅，放大器出現(xiàn)AM/AM和AM/PM失真，幅度和相位都出現(xiàn)了壓縮，在相位上表現(xiàn)為非線性相移。

由于功率放大器電路中存在儲能元件電感L和電容C，而電感L和電容C的阻抗都和頻率有關，放大器的源阻抗和負載阻抗也就隨頻率變化，因此帶內各頻點的相位失真程度也各不相同，我們將帶寬內不同頻點的非線性相移的差值稱為寬帶相位非線性度[3]，如圖1所示，相位非線性度將隨功率放大器的飽和深度和匹配狀態(tài)發(fā)生變化。

圖1 相位非線性度示意圖

雷達系統(tǒng)中更關心的是組件的相位非線性度，對非線性相移的絕對值并不關心，本次研究應用項目對組件相位非線性度的指標要求為10°。

3 發(fā)射鏈路非線性模型的提取

發(fā)射鏈路由移相器、開關、驅動放大器、功率放大器和環(huán)形器組成，如圖2所示，其中移相器、開關和環(huán)形器為無源電路，驅動放大器工作于線性區(qū)，這幾種器件對相位非線性影響有限，系統(tǒng)可容忍，相位非線性主要由功率放大器的有源管芯造成，所以從管芯提取大信號非線性模型是關鍵。

圖2 組件發(fā)射鏈路圖

GaAs MM IC非線性模型大致分為3種類型:（1）最值模型：從求解功率芯片的二維或三維電磁場方程出發(fā)，用數(shù)值方法求出芯片的非線性特性；（2）半經驗模型：用非線性等效電路模擬管芯的非線性，等效電路中的非線性元件用經驗表達式來表征，通過實測確定模型中的參數(shù)；（3）物理模型：一般來說物理模型無需制造和測量器件，就能根據(jù)工藝參數(shù)及材料性質預測電路級性能，理論上是最準的，但目前還無法用物理模型來表征元器件[4-6]。

這里我們選用中國電科集團第55所采用PHEMT工藝的WFD085105-P40型功放作為分析樣板，采用非線性等效電路模擬管芯的相位非線性失真，并通過多次在線測試和分析計算得出管芯的非線性等效電路，如圖3所示。

圖3 管芯的非線性模型

其中電流源Igs、Igd表征柵二極管特性，Igdbr表征柵漏擊穿特性，Ids表征源漏電流特性，Idsrf模擬低頻色散效應，Cgs和Cgd分別為和偏置相關的柵源、柵漏電容。這里源漏電流Ids的擬合是構建GaAs PHEMT非線性模型的關鍵。將構建好的管芯非線性等效電路帶入功放電路拓撲可得到功放單片的非線性模型。

4 用負載牽引法來獲取最佳線性相位點

有了功率放大器的非線性模型，利用ADS軟件對前述的功率放大器進行改善相位線性度設計。ADS中的負載牽引技術一般被用來獲得最大功率點或最大效率點，在這里我們利用同樣的原理來尋找最佳相位點。

設置相關參數(shù)，利用ADS對上述的MM IC有源非線性模型進行負載牽引，負載牽引控件將有序地搜尋Smith圓圖上的每個區(qū)域，利用大信號S參數(shù)仿真控制器，對模型進行多次迭代仿真，最終確定其最佳線性相位阻抗點，以此設計輸出端口的二次匹配電路，將實際負載阻抗變換到最佳負載阻抗[7-8]。LOADPULL仿真設計框圖如圖4所示。

為了更加直觀地了解非線性相位阻抗點匹配方法對相位非線性度的改善效果，現(xiàn)將改善前后的dev_lin_phase(S21)（即偏離線性相位）曲線進行對比，對比結果如圖5所示。

圖4 ADS軟件負載牽引法仿真設計框圖

通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，匹配后相位非線性誤差從12°優(yōu)化到5°，相位非線性度得到了有效的改善，達到了設計預想的效果。在改善相位非線性誤差的同時還需兼顧功率放大器的飽和功率和效率，因此還需提取功率放大器的最佳功率阻抗點和最佳效率阻抗點，其在Sm ith圓圖上對應的位置如圖6所示。

圖5 改善前后的偏離線性相位曲線對比

圖6 Smith圓圖上的3個最佳匹配點

因為功放芯片已經經過一次匹配，所以圖6中的3個最佳阻抗點相距不遠，獲得最佳線性相位的同時不會對輸出功率和效率產生較大的影響，在實際使用中需根據(jù)系統(tǒng)要求綜合考慮。

5 輸入輸出匹配電路的設計

根據(jù)提取的最佳相位阻抗點，我們利用ADS軟件中的Smith Chart Utility Tool工具進行輸出負載匹配，這里我們采用微帶單枝短截線匹配電路，為了補償設計誤差會預留出調試的調節(jié)線，設計的拓撲電路如圖7所示。

圖7 微帶匹配電路

6 測試結果

將設計好的輸入輸出匹配電路應用于發(fā)射組件，實物如圖8所示。

圖8 輸入輸出匹配圖

設置測試系統(tǒng)的相關參數(shù)，利用矢量網(wǎng)絡分析儀分別測試優(yōu)化電路和未優(yōu)化匹配的非線性相位指標，測試結果如圖9所示。

圖9 優(yōu)化電路和未優(yōu)化匹配的非線性相位指標測試結果

從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，未優(yōu)化匹配電路的相位非線性誤差是16°，而優(yōu)化電路的相位非線性誤差為7°，對指標改善效果明顯，達到了系統(tǒng)的要求。觀察其他指標，功率增益平坦度提高，組件功率和效率無明顯惡化，指標都符合系統(tǒng)要求，驗證了文中設計方法的可行性。

7 結論

本文針對寬帶發(fā)射組件的相位非線性問題進行分析，提取了功率管芯的非線性等效電路，用負載牽引設計法在Sm ith圓圖上找出功放單片的最佳線性相位點，并針對此點進行輸出端口二次匹配，達到改善寬帶發(fā)射組件相位非線性度的目的，這種設計方法對發(fā)射組件和功率模塊的設計有一定的指導意義。同時該方法可下延至芯片設計階段，可進一步改善寬帶系統(tǒng)的相位非線性問題。