朱效慶，荀 濤,2?，王朗寧,2，楚 旭,2，楊漢武,2，張建德,2，賀軍濤,2，張 軍

(1. 國防科技大學 前沿交叉學科學院; 2. 脈沖功率激光技術(shù)國家重點實驗室；3. 國防科技大學 文理學院: 長沙 410073)

隨著微波光子學和固態(tài)高功率微波器件的發(fā)展，利用光導半導體產(chǎn)生微波的方案得到廣泛關(guān)注[1-3]。面對日益復雜的電磁環(huán)境，與傳統(tǒng)電真空器件相比，光導微波器件具有帶寬寬、損耗低、體積重量小、能量密度高和抗電磁干擾能力強等優(yōu)勢。光導微波源中的固態(tài)光導微波產(chǎn)生器件以調(diào)制激光作為種子源，調(diào)制光導半導體產(chǎn)生光生載流子，在高壓下產(chǎn)生與激光重頻一致頻率的微波輸出，且重頻和脈寬等參數(shù)可調(diào)，便于集成輸出高功率微波。碳化硅(SiC)作為一種寬禁帶光導半導體材料，具有抖動低、響應快、線性度好等優(yōu)異特性。以美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的Zuker等為代表的多位研究人員[4-7]證明了利用光導半導體可產(chǎn)生主頻、脈寬和重復頻率等多參數(shù)可調(diào)的高功率微波。光導微波源參數(shù)靈活可調(diào)；所有單元均為固態(tài)，有利于模塊化集成；放大器結(jié)構(gòu)可進行相干合成，實現(xiàn)陣列化。

目前，對SiC光導器件的研究主要基于單管放大，單片輸出電信號為全波形大于零的線性放大，經(jīng)濾波后，射頻信號電效率低。采用推挽電路可將2個光導器件產(chǎn)生的射頻周期互補合成，將輸出信號中的低頻和直流成分利用起來，減少濾波損耗，提高電效率。

提高光導微波直流到射頻的電效率是光導微波源的重要研究內(nèi)容之一，本文基于SiC的光導器件，開展了推挽放大電路設計和實驗研究。光導器件和推挽放大電路的優(yōu)勢在于：(1)與傳統(tǒng)晶體管相比，光導器件的功率密度高2-3個數(shù)量級，功率要求相同時，光導器件系統(tǒng)體積和重量小，可實現(xiàn)緊湊化設計；(2)光導器件頻率調(diào)諧范圍廣，帶寬寬，能適應復雜電磁環(huán)境中不同頻段的目標；(3)光導器件利用輸入光信號控制開關(guān)，多個器件疊加增大輸出功率，電路不影響光信號的控制；(4)在推挽放大電路中，與晶體管相比，光導器件沒有極性(N型和P型)，光生載流子均為電子，電子的高遷移率可實現(xiàn)快速響應；(5)推挽電路兼顧線性放大、消除失真和較高的電效率，線性放大對光源調(diào)制要求低，與完全線性放大的單管電路相比，推挽電路電效率高，功率損耗低。

2006年，Huang等[8]提出了一種可利用高頻調(diào)制激光，使工作在線性模式下的砷化鎵(GaAs)光導半導體開關(guān)(photoconductive semiconductor switches， PCSS)產(chǎn)生X波段微波信號，并采用推挽式功率放大電路來提升系統(tǒng)效率的設計方案。經(jīng)仿真計算，當輸入輸出波形均為標準正弦信號時，最大電效率可達到78.5%，而在相同條件下單極性電路的最大電效率只有25%。

以GaAs為基體的器件雖能滿足快速響應要求，但耐壓性較差，熱導率較低，且具有“鎖定”效應[9]的非線性模式，限制了高溫下穩(wěn)定工作的高效、大功率器件的制造。作為一種寬禁帶半導體，SiC耐高壓高溫，具有暗電阻高和響應快速的光電性能，以SiC為基體的光導器件已實現(xiàn)2 MW以上的功率輸出[10-11]。對于光導放大器，以SiC代替GaAs可實現(xiàn)更高耐壓，線性區(qū)間更寬，能同時兼顧大功率條件下的線性和高效率。圖1為光導放大器基本結(jié)構(gòu)及6H-SiC光導器件的3維結(jié)構(gòu)模型，采用異面電極結(jié)構(gòu)提高耐壓性能[12-13]。

單管放大電路的電效率較低，若采用推挽電路，電效率可大幅度提升[14]。2019年，國防科技大學伍麒霖等[15]在基于線性光導器件的大功率微波產(chǎn)生技術(shù)研究中，利用200 μm厚的SiC光導器件和脈沖激光和分光延遲系統(tǒng)實現(xiàn)了SiC光導推挽放大輸出。當輸入激光功率為8 kW，波長為1 064 nm時，輸出光電流為0.19 A，偏置電壓為5.6 kV，系統(tǒng)電功率達到千瓦量級；當輸入激光功率為33 kW，波長為532 nm時，輸出光電流為2.7 A，偏置電壓為4.9 kV，系統(tǒng)電功率達到10 kW量級。

1 理論與仿真分析

Bahl等[16]研究表明，當輸入正弦信號時，AB型晶體管功放的效率最高為78.5%。對于光導推挽電路，當入射激光和輸出射頻均為正弦波時，放大電路的最大電效率同樣為78.5%。與晶體管功放不同，光導器件的導通電阻隨光強增加而降低，并始終存在大于0的導通電阻，有一部分電功率消耗在光導器件上，負載電效率低于理想的78.5%。同時，根據(jù)實驗室設備和條件，對推挽電路進行計算和仿真。國防科技大學王朗寧等[17]、Wu等[18]基于線性光導器件的大功率微波產(chǎn)生技術(shù)，設計了光導器件的PSpice模型，如圖2所示。該模型可通過調(diào)節(jié)激光功率、波長、頻率及脈沖寬度等激光參數(shù)和載流子遷移率、光導器件尺寸及量子效率等器件參數(shù)改變光導器件的導通電阻，根據(jù)實驗條件設置不同輸入?yún)?shù)。

根據(jù)圖2所示光導器件模型，建立了推挽電路的PSpice模型，如圖3所示。

首先，根據(jù)實驗室激光器的高斯波形計算電效率，在1/4個周期內(nèi)，負載上的電壓可表示為

(1)

負載電阻RL上的平均輸出功率為

(2)

(3)

考慮到光導放大器的響應，推挽電流相互抵消，能實現(xiàn)的電效率為

(4)

由圖2可見，負載與光導器件分壓，電效率與SiC最小導通電阻之間的關(guān)系為

(5)

當光導器件的最小導通電阻為0時，該推挽放大器的最大效率為67.73%；當最小導通電阻為50 Ω時，最大效率為33.87%。用PSpice電路仿真軟件進行仿真，圖3所示2束激光由同一激光器通過分光延遲光路得到，相位差保證為π。

對2個光導器件加載大小相等的正負直流電壓，仿真電路中的直流電源由充電電容代替。直流電壓設置為±14 kV，通過調(diào)節(jié)光強改變光導器件的最小導通電阻。當導通電阻為50 Ω時，得到單路及推挽輸出波形，如圖4所示。

由圖4可見，直流部分約為975 V，計算調(diào)制深度約為74.76%。與單路的幅值相比，推挽合成的波形幅值降低約86%。此時，光導器件最小導通電阻為50 Ω，電效率為27.64%。根據(jù)式(5)，可得導通電阻為50 Ω時，電效率隨光導器件最小導通電阻的變化關(guān)系，如圖5所示。

2 實驗驗證

激光器波長為1 030 nm；脈寬為300 ps；頻率為1 GHz；每次連續(xù)輸出8個高斯脈沖，脈沖簇的重復頻率為200 kHz。實驗用示波器采樣率為40 GS·s-1；采樣頻率為4 GHz。用超快光電探測器(UPD-70-UVIR-D)測得激光波形，如圖6所示。

搭建實驗光路及電路，如圖7所示。分光鏡和反射鏡之間的距離調(diào)整為約15 cm，并通過滑軌微調(diào)實現(xiàn)500 ps的時延差。

2個光導器件輸出的光電流經(jīng)功率合成器件合成后進入負載。負載為50 Ω，由示波器提供。分光后每一路平均光功率為6.6 W，在低光功率下進行驗證時，光導器件的導通電阻不能小于100 Ω。

首先，為計算方便，忽略合路器(combiner)的插損，對單路和推挽的輸出波形進行歸一化處理，獲得單路輸出波形和同條件下的推挽波形，如圖8所示。實驗中所用直流電壓為±2 kV；單路輸出電壓幅值為15 V；此時光導器件電阻為6.62 kΩ。由圖8(a)可計算得到調(diào)制深度約為72.73%，再由仿真給出的幅值降低86%，推算忽略插入損耗時，推挽輸出的幅值降低為單路幅值的83.66%，即12.55 V，電效率為0.45%。

調(diào)整PSpice仿真模型中的光功率，使光導器件的最小導通電阻為6.62 kΩ，根據(jù)圖5的仿真曲線，計算得到該實驗條件下的電效率為0.41%，與實驗結(jié)果0.45%接近。根據(jù)實驗結(jié)果和式(5)可預測光功率較高，且導通電阻在100 Ω以下時，光導器件的電效率隨最小導通電阻的變化關(guān)系，如圖9所示。

由圖9可見，最小導通電阻為50 Ω時，實驗測得的電效率為30.34%，電效率的實驗結(jié)果高于仿真結(jié)果。原因在于：首先，計算推挽輸出電壓幅值時，所用到的單路幅值為最大值，而根據(jù)圖8(a)所示的單路輸出波形，每個脈沖的幅值變化起伏較大，而圖8(b)所示的推挽波形各幅值基本相同；其次，計算輸入功率時用到單路輸出波形作為輸入電流圖像，由實驗結(jié)果計算給出的平均輸入功率小于仿真結(jié)果；最后，因電效率與輸入功率成反比，實驗結(jié)果大于仿真結(jié)果。仿真與實驗的電效率都比理論計算的電效率低，主要原因為：仿真和實驗的輸出脈沖因器件響應展寬，產(chǎn)生直流和較多的低頻成分，輸入功率增大；合路時正負電流的抵消造成損耗，影響輸出幅值，輸出功率降低，導致仿真和實驗的電效率遠不及理論計算結(jié)果。

3 結(jié)論

基于頻率為1 GHz，占空比為30%的激光，通過理論計算、仿真分析和實驗驗證，得到推挽型光導微波放大器的電效率隨光導器件最小導通電阻的變化關(guān)系。忽略合路器插入損耗時，在低光功率下得到的電效率高于并接近仿真計算結(jié)果，說明該仿真模型在分析推挽型光導微波放大器的電效率時有一定指導意義。圖4(b)所示的仿真推挽輸出波形各脈沖幅值隨時間的增加而降低，而單路輸出和實驗中得到的波形并沒有出現(xiàn)該現(xiàn)象，說明仿真模型的推挽合成部分需進一步分析和優(yōu)化，可通過添加合路器等模擬實驗條件。

對于仿真和實驗結(jié)果均低于理想電效率的主要原因在于光導器件響應帶來的脈沖展寬，導致輸出波形調(diào)制深度降低，產(chǎn)生直流損耗，降低放大器電效率。根據(jù)仿真和實驗結(jié)果，為實現(xiàn)光導微波放大器高功率和高效率輸出，需進一步進行激光調(diào)制，降低占空比，使器件光電流能降到0，以降低推挽電流的抵消；另外，根據(jù)電效率隨最小導通電阻的變化關(guān)系，提高激光峰值功率以降低器件的最小導通電阻，可有效提高輸出功率和電效率。