郭 輝，周一帆，張啟帆

(中國船舶集團公司第七二四研究所，江蘇 南京 211153)

0 引言

氮化鎵材料作為第三代半導(dǎo)體的主要材料，與一、二代半導(dǎo)體材料相比，具有工作頻段寬、工作電壓高、單位面積功率密度高、熱傳導(dǎo)率高等優(yōu)點，是雷達系統(tǒng)功率器件應(yīng)用的主要形式和發(fā)展方向。

對于GaN發(fā)射組件，輸出功率大小是最重要的指標(biāo)之一。大部分工程應(yīng)用中，一般恒定的發(fā)射功率即可滿足要求，但某些特殊場合則要求可變的發(fā)射功率。

本文的氮化鎵發(fā)射組件是由若干個氮化鎵功放模塊級聯(lián)而成。因此，當(dāng)關(guān)斷某個或者數(shù)個功放模塊時，發(fā)射組件的輸出功率會有不同幅度的減小，從而達到發(fā)射組件輸出功率可調(diào)的目的。

1 發(fā)射組件工作原理簡介

本文設(shè)計的發(fā)射組件工作于C波段，主要由前級功放模塊、800 W功放單元、均衡器、四路功率分配器、高功率四路合成器及耦合器、電源時序及調(diào)制電路和數(shù)字采樣控制電路組成，其原理如圖1所示。

圖1 發(fā)射組件原理

發(fā)射組件輸入的射頻激勵信號，經(jīng)過前級功放模塊放大到100 W左右，后端級聯(lián)均衡器用于調(diào)平不同頻點的功率值；然后通過四路功率分配器驅(qū)動四路800 W功放單元，每一路800 W功放單元由4個相同的200 W功放模塊構(gòu)成。最終各路功放單元的輸出功率通過高功率四路功率合成器進行合成，實現(xiàn)發(fā)射組件輸出功率達到2 kW。電源時序和調(diào)制電路負責(zé)給各個功放單元提供負電保護和脈沖調(diào)制。檢測保護電路可以實時監(jiān)控組件電流、電壓、溫度、輸出功率等參數(shù)并及時進行故障保護。

2 功率可調(diào)實現(xiàn)方法

根據(jù)發(fā)射組件的設(shè)計原理及組成特性，可以通過3種方式實現(xiàn)組件輸出功率可調(diào)。第一種是調(diào)節(jié)輸入激勵信號，使組件內(nèi)部的功放模塊工作在放大區(qū)，此時輸出功率會隨著激勵變化而改變；但本文研究的雷達發(fā)射組件通常工作在深度飽和區(qū)域，激勵信號較小幅度的改變幾乎不會對輸出功率產(chǎn)生影響，而深度回退激勵信號難以保證組件內(nèi)部功放模塊的幅相一致性，所以排除此種方法。

第二種方法是調(diào)節(jié)組件內(nèi)功放模塊工作電壓，在電壓變化時，功放模塊能保持穩(wěn)定的幅相一致性，但功放模塊工作電壓可調(diào)范圍相對較小，會極大地限制輸出功率調(diào)節(jié)范圍。

綜合以上考慮，本文選取了第三種即功放關(guān)斷法實現(xiàn)發(fā)射組件輸出功率可調(diào)，此種方法只需要針對性地設(shè)計部分電源控制電路、串饋失配反射吸收技術(shù)，再通過程序指令即可關(guān)斷組件內(nèi)部指定功放模塊，從而實現(xiàn)輸出功率可調(diào)。

2.1 ARM控制獨立電源芯片開關(guān)技術(shù)

氮化鎵功放模塊工作在AB類，靜態(tài)電流很大。為了提高發(fā)射組件的效率，需要對功放模塊進行漏極調(diào)制。同時，氮化鎵功放模塊還要求上電時先加?xùn)艠O負壓再加漏極正壓，關(guān)電時先關(guān)漏極正壓再關(guān)柵極負壓。若順序錯誤，會導(dǎo)致功放模塊損壞。因此筆者設(shè)計了專門的電源時序和調(diào)制電路，來實現(xiàn)對功放模塊加電的控制和保護。

組件內(nèi)部功放模塊較多，設(shè)計時如果采取統(tǒng)一調(diào)制供電的方式，會產(chǎn)生電流過大、引線過長等問題，不利于發(fā)射組件的穩(wěn)定工作。所以，本文采取獨立供電及調(diào)制的設(shè)計，給每一個功放模塊都單獨配置了一個電源時序和保護電路。電源調(diào)制電路原理如圖2所示。

圖2 電源調(diào)制電路原理

設(shè)計中選用中電十三所研制的BW760電源調(diào)制芯片，每個功放模塊均對應(yīng)一個單獨的BW760電源芯片，芯片上使能端分別接至ARM的I/0控制管腳。

如圖2所示，當(dāng)ARM拉低某個管腳的使能電平，該管腳對應(yīng)的BW760芯片會關(guān)斷功放模塊的漏極電壓，從而使該功放模塊無法工作，同時其他功放模塊不受影響，可以正常運行。當(dāng)負壓不正常時，該路BW760芯片同樣也會關(guān)斷功放模塊的漏極電壓，從而達到保護該模塊的目的。只有當(dāng)ARM控制管腳和負壓同時正常，BW760芯片才會隨著TTL管腳的調(diào)制信號，同步對漏壓實行調(diào)制。

2.2 串饋失配反射吸收技術(shù)

4個200 W功放模塊和一對小功率4路功率分配/合成器組成一個800 W功放單元。串饋分配/合成器如圖3所示。為了保證功率合成效率，合成鏈路需要匹配良好、幅相一致性較高，所以串饋通常是成對使用的。而關(guān)斷某個功放模塊，無疑會破壞合成鏈路匹配性能，這樣引起的失配造成的合成損耗，若不能有效吸收，會燒毀合成器從而造成組件損壞。

圖3 反射吸收式串饋實物

為了解決上述弊端，組件所采用的串饋需要擁有較高的抗失配能力。如圖3所示，串饋為成對使用，以保證合成鏈路的相位匹配；串饋側(cè)邊為輸入/輸出口，中間4個端口為傳輸端口，當(dāng)有功放模塊被關(guān)斷時，分配器提供給該模塊的輸入功率便會被反射回來，被該路的射頻負載吸收。同時，由于缺失該路模塊的輸出功率，造成4路合成不一致而產(chǎn)生合成損耗，也會被該路合成器的負載吸收。這就保證了合成鏈路失配時，組件工作的穩(wěn)定性。

3 測試驗證

發(fā)射組件正面俯視圖如圖4所示，發(fā)射組件最后一級功率合成采用了4路800 W功放單元，每個功放單元包含4個功放模塊，即總計16個功放模塊；通過軟件設(shè)定，分別測試不關(guān)斷任何功放、關(guān)斷4個功放、關(guān)斷8個功放和關(guān)斷12個功放時，發(fā)射組件的輸出功率變化情況。實驗選取了一只發(fā)射組件進行測試，分別記為1#和2#組件。

圖4 發(fā)射組件實物

測試數(shù)據(jù)如表1—2所示，從表中可以看出在關(guān)斷任意不同數(shù)量的功放模塊時，兩個組件的輸出功率帶內(nèi)起伏仍能保持在1 dB范圍，其帶內(nèi)平坦度維持較好。此外，在關(guān)斷相同數(shù)量功放模塊時，相同的頻點下，不同組件的輸出功率差值也能保持在合理的范圍內(nèi)。通過數(shù)據(jù)可以看出，關(guān)斷4，8，12個功放模塊時，分別可實現(xiàn)組件輸出功率3，6，12 dB幅度的輸出回退，這基本與理論值一致。

表1 1#組件輸出峰值功率測試/dBm

表2 2#組件輸出峰值功率測試/dBm

發(fā)射組件輸出功率除幅值外，相位也是較為重要的參數(shù)。實驗測試了關(guān)斷不同數(shù)量功放時，1#發(fā)射組件的相位數(shù)據(jù)，如圖5所示，同一頻點的相位沒有太大變化，維持在±5°內(nèi)，滿足使用要求。

圖5 發(fā)射組件相位測試

4 結(jié)語

功放關(guān)斷法具有操作簡單、靈活可控、風(fēng)險較小等優(yōu)點，通過程序關(guān)斷不同數(shù)量的功放模塊，可以自由實現(xiàn)固態(tài)GaN發(fā)射組件輸出功率在0～12 dB范圍內(nèi)的動態(tài)調(diào)節(jié)，且?guī)?nèi)起伏小于1 dB，相位起伏小于±5°。這一設(shè)計可以便捷地用于當(dāng)前裝備，大大拓展了發(fā)射組件的應(yīng)用場合。