武慶威

(中國(guó)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(lái)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(mǎn)足電子裝備對(duì)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(guó)外在GaN功率放大器芯片方面開(kāi)展了深入研究，美國(guó)、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(dòng)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(guó)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(guó)內(nèi)在GaN技術(shù)應(yīng)用方面也開(kāi)展了深入的研究，某研究所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了多種型號(hào)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(guó)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(guò)程中發(fā)現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)有效輻射功率6 dB內(nèi)衰減時(shí)，寬帶調(diào)頻信號(hào)在帶內(nèi)的輸出功率起伏很大，信號(hào)質(zhì)量較差。針對(duì)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(hào)空間合成技術(shù)[5]，提出了一種通過(guò)控制有源陣列天線(xiàn)功放組件工作單元數(shù)量的方式來(lái)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(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)、C類(lèi)、D類(lèi)、E類(lèi)和F類(lèi)，其中A類(lèi)放大器線(xiàn)性度最高，一般在30%～50%左右，但其效率最低；B類(lèi)放大器線(xiàn)性比A類(lèi)差，效率比A類(lèi)高，理想狀態(tài)下效率可達(dá)78%；C類(lèi)放大器的導(dǎo)通時(shí)間比周期短，導(dǎo)通角小于180°，線(xiàn)性很差，理想狀態(tài)下效率可達(dá)100%；D類(lèi)和E類(lèi)放大器是開(kāi)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(guó)產(chǎn)GaN HEMT脈沖功率放大器工作在C類(lèi)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(hào)功率線(xiàn)性度差。當(dāng)輸入信號(hào)功率變小時(shí)，功率放大器增益變大，特別是多級(jí)功率放大器級(jí)聯(lián)后，線(xiàn)性度惡化，因而當(dāng)采取減小雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生分系統(tǒng)輸入信號(hào)功率來(lái)控制雷達(dá)模擬器實(shí)際輸出功率衰減時(shí)，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(hào)在帶內(nèi)的輸出功率起伏很大，信號(hào)質(zhì)量差。采用通過(guò)控制有源陣列天線(xiàn)功放組件工作單元數(shù)量的方式來(lái)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(xiàn)組成

雷達(dá)模擬器主要由有源陣列天線(xiàn)、雷達(dá)信號(hào)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(xiàn)由有源電路(固態(tài)功率放大器)與天線(xiàn)陣列中的每一個(gè)輻射單元直接連接而成。每個(gè)天線(xiàn)單元增益較低，但是當(dāng)按一定規(guī)則將天線(xiàn)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(hào)，即可在陣面法線(xiàn)方向上獲得較高的天線(xiàn)增益。為了獲得較大的有效輻射功率，有源陣列天線(xiàn)采取前置級(jí)放大器模塊、推動(dòng)級(jí)放大器模塊和末級(jí)放大器模塊多級(jí)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)[7-8]，陣列天線(xiàn)由56個(gè)天線(xiàn)單元組成，每4個(gè)天線(xiàn)單元為一組，共14組，功放組件為四通道一個(gè)模塊，共14個(gè)模塊。有源陣列天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 陣列天線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

3 理論計(jì)算及仿真分析

天線(xiàn)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(lì)幅度和相位等[9-10]，控制這些因素可以改變輻射場(chǎng)特征。在本設(shè)計(jì)中為解決輻射功率6 dB內(nèi)衰減問(wèn)題，采取關(guān)斷末級(jí)功放模塊的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整關(guān)斷模塊的數(shù)量來(lái)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(xiàn)陣面增益。

發(fā)射機(jī)總輸出功率與末級(jí)功放組件工作數(shù)量相關(guān)，當(dāng)末級(jí)功放組件不工作時(shí)，與之連接的天線(xiàn)組件輸入信號(hào)幅度等于零，對(duì)天線(xiàn)增益無(wú)貢獻(xiàn)。因此當(dāng)部分末級(jí)功放不工作時(shí)，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(gè)模塊1.341.26關(guān)斷3個(gè)模塊2.092.02關(guān)斷4個(gè)模塊2.922.85關(guān)斷5個(gè)模塊3.833.72關(guān)斷6個(gè)模塊4.864.81關(guān)斷7個(gè)模塊6.025.97

3.2 仿真分析

采用ANSYS HFSS軟件[11-12]對(duì)天線(xiàn)陣面進(jìn)行仿真，對(duì)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(jiàn)表1。

由表1可以看出：通過(guò)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(cè)試

4.1 測(cè)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(duì)有源陣列天線(xiàn)各個(gè)組合合成后波束功率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試框圖如圖2所示。

圖2 雷達(dá)模擬器有效輻射功率測(cè)試框圖

雷達(dá)模擬器有效輻射功率滿(mǎn)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(cè)試線(xiàn)纜的損耗；L2為射頻信號(hào)在空氣中傳播的空間損耗[12]；G1為接收天線(xiàn)的增益。射頻信號(hào)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(xiàn)端口至雷達(dá)模擬器天線(xiàn)陣列間的最小水平距離，單位為km；F為射頻信號(hào)的頻率，單位為MHz。

通過(guò)控制末級(jí)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(duì)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(jí)功放組件的輸入端及功分器對(duì)應(yīng)的輸出端，防止因輸入端、輸出端開(kāi)路產(chǎn)生自激對(duì)設(shè)備造成損傷。在實(shí)際測(cè)試中，對(duì)有源陣列天線(xiàn)組件模塊編號(hào)如圖3所示。

圖3 有源陣列天線(xiàn)組件模塊編號(hào)示意圖

4.2 測(cè)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(hào)產(chǎn)生分系統(tǒng)，使雷達(dá)模擬器輸出4個(gè)不同頻率的脈寬為5 μs，重復(fù)周期為200 μs的單脈沖信號(hào)，通過(guò)頻譜儀讀取并記錄下各個(gè)頻率在不同模塊組合下的接收到的信號(hào)最大功率值P1，數(shù)據(jù)記錄如表2所示，對(duì)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(cè)試頻點(diǎn)f/GHz,對(duì)應(yīng)P1值/dBmf1f2f3f4關(guān)斷0個(gè)模塊1～14模塊均工作-15.3-15.7-16.9-16.4關(guān)斷2個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(cè)試頻點(diǎn)f/GHz,對(duì)應(yīng)功率衰減值/dBf1f2f3f4均值關(guān)斷0個(gè)模塊00000關(guān)斷2個(gè)模塊1.21.50.70.71.0關(guān)斷3個(gè)模塊2.12.32.52.22.3關(guān)斷4個(gè)模塊2.93.02.72.42.8關(guān)斷5個(gè)模塊3.44.04.63.73.9關(guān)斷6個(gè)模塊4.85.35.54.75.1關(guān)斷7個(gè)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(guò)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(yǔ)

基于國(guó)產(chǎn)GaN功率管工作于C類(lèi)飽和狀態(tài)的特性，提出了一種通過(guò)控制輻射單元數(shù)量和組合的控制策略來(lái)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(jiàn)。