一種大功率內(nèi)匹配功放管輸出隔直電路的研究

方建洪,呂高慶

(中航工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所，無錫 214063)

基礎(chǔ)理論 doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.05.010

一種大功率內(nèi)匹配功放管輸出隔直電路的研究

方建洪,呂高慶

(中航工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所，無錫 214063)

本文討論了不同占空比情況下常規(guī)大功率內(nèi)匹配功放電路隔直電容在工作狀態(tài)下的溫度表現(xiàn)，重點(diǎn)分析了連續(xù)波、準(zhǔn)連續(xù)波及大脈寬情況下具有一定等效串聯(lián)電阻的隔直電容因工作溫度過高而燒毀的可能性。提出并實(shí)現(xiàn)采用“微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器”代替隔直電容完成隔直和射頻能量傳輸功能，通過對比試驗(yàn)驗(yàn)證了采用微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的引入不會影響功放管CGHV96100F2工作狀態(tài)的穩(wěn)定性，并且其插入損耗小于輸出隔直電容，能夠有效地提高大占空比或連續(xù)波狀態(tài)下功率放大器的輸出功率至少0.3 dB，有效地減少了功放電路的熱耗，提升了功放電路的可靠性。

連續(xù)波；隔直電路；內(nèi)匹配；微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換

0 引 言

機(jī)載雷達(dá)根據(jù)從天線輻射出的射頻信號占空比來區(qū)分，可分為脈沖多普勒雷達(dá)、連續(xù)波雷達(dá)與準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)三種。三種雷達(dá)各有相對優(yōu)勢和劣勢，可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境、任務(wù)需求優(yōu)先選用。根據(jù)雷達(dá)發(fā)射源的不同，可采用的發(fā)射機(jī)類型有電真空發(fā)射機(jī)和固態(tài)發(fā)射機(jī)兩種，其中固態(tài)發(fā)射機(jī)相對于電真空發(fā)射機(jī)而言，具有工作電壓低、可靠性高、組合性好等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地在應(yīng)用在機(jī)載雷達(dá)領(lǐng)域。若脈沖多普勒雷達(dá)、連續(xù)波雷達(dá)與準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)三種雷達(dá)都選用固態(tài)發(fā)射機(jī)體制，那么就可以根據(jù)頻段、輸出功率選擇單個固態(tài)功放管或者多個固態(tài)功放管進(jìn)行功率合成，這是因?yàn)楣虘B(tài)發(fā)射機(jī)的最基本組成單元為單個固態(tài)功放電路。對于一只選定的固態(tài)功放管而言，不同占空比條件下，僅在散熱量大小，效率高低上有區(qū)別，其工作方式是相同的。

固態(tài)功放電路需要與射頻主路上的其他電路級聯(lián)進(jìn)行功率放大、傳輸送到天線輻射器輻射出去后才完成了雷達(dá)的發(fā)射功能。由于射頻的固態(tài)功放管一般是場效應(yīng)管，在工作中需要對柵極、漏極供直流電，必須采用隔直電路將加給功率管的直流電與功率放大器的射頻輸入、輸出端口隔離，以免電源短路，保證直流電不會沿射頻主路串?dāng)_出去，造成不必要的能量損耗或者影響乃至燒毀其他功能電路。

傳統(tǒng)的射頻隔直電路一般采用電容方式，根據(jù)頻率的不同選擇最合適的電容類型和量值。串入在射頻主路中的隔直電容應(yīng)具有低損耗、高功率容量的特性。一般分為微帶電容[1]、單層電容以及多層電容。微帶電容和單層電容能夠承受的功率小，并且設(shè)計(jì)、制作及裝配要求高，一般在Ku、X以及更低頻段的大功率應(yīng)用中都是采用多層電容。ATC[2]、DLI、宏明等電容廠家都致力于降低電容自身的等效串聯(lián)電阻(ESR)，但總會有一定的能量會損耗在電容上，導(dǎo)致電容發(fā)熱，若使用環(huán)境較為惡劣，會導(dǎo)致電容燒毀，并造成微波系統(tǒng)的故障。這一直是困擾大功率微波功放電路的難題。

1 固態(tài)功放電路的組成

最基本的內(nèi)匹配固態(tài)功放電路如圖1所示[3]。隔直電容作用是把射頻能量從電路的一端轉(zhuǎn)移到另一端，并保證直流電源信號通過偏置電路僅為功放管的柵極和漏極供電。

圖1 內(nèi)匹配固態(tài)功放電路原理圖

一般功放管的輸入信號相對于輸出信號在功率上小一個或數(shù)個量級，輸入隔直元件通過的能量較小，發(fā)熱量不大，選用中就會有更大的自由性，不做重點(diǎn)討論。本文重點(diǎn)要討論的是輸出隔直元件如何選擇。隔直元件可以是微帶電容、單層電容以及多層電容。微帶電容和單層電容能夠承受的功率，尤其是連續(xù)波功率較小，并且設(shè)計(jì)、制作及裝配要求高，一般在Ku、X以及更低頻段的大功率應(yīng)用中都是采用多層電容。

射頻主路中的隔直電容有自身的等效串聯(lián)電阻(ESR)，會引入工作頻段內(nèi)的插入損耗，表征在射頻功率發(fā)射時耗散在電容上的熱量[4]。若發(fā)熱量過大，并且熱量沒有得到完全發(fā)散，一直累積在電容上，那么就會燒毀電容，形成斷路，會燒毀功放管。穩(wěn)定工作的功放電路應(yīng)該保證隔直電容的溫升控制在電容允許的最大穩(wěn)定工作溫度內(nèi)。

對于小脈寬、小占空脈沖多普勒雷達(dá)固態(tài)發(fā)射機(jī)中應(yīng)用的大功率微波功放管工作時間相對較短，累積在隔直電容上的熱量會在一個脈沖周期內(nèi)無射頻輸出的時間段內(nèi)得到最大限度的釋放，一般溫升不會太大，不會燒毀；對于連續(xù)波雷達(dá)與準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)固態(tài)發(fā)射機(jī)，或占空比雖小但脈沖寬度很大的脈沖多普勒雷達(dá)固態(tài)發(fā)射機(jī)中的大功率微波功放管，在一個脈沖周期內(nèi)，射頻輸出時損耗在隔直電容上的熱量不能在無射頻輸出的情況下釋放完全，會形成較大的溫升，致使電容的性能下降，插入損耗增大，在下一個脈沖周期內(nèi)，累積在該電容上的熱量會更多，形成一個溫度加速升高的惡性循環(huán)。一旦達(dá)到電容允許的溫度上限，就會致使電容可靠性大大下降，最終有可能燒毀。

2 固態(tài)功放管電路

通過一只CREE公司的能夠工作在X波段連續(xù)波狀態(tài)GaN型CGHV96100F2固態(tài)功放管驗(yàn)證隔直電容在實(shí)際工作中的溫升問題。該功放采用內(nèi)匹配形式[5]，廠家給定的資料中顯示在f=9.2 GHz，輸入峰值功率為10 W時輸出峰值功率達(dá)到152 W(脈沖寬度t=100 us，占空比D=10%)，根據(jù)實(shí)際需要，調(diào)試中該功放管在9.2 GHz時的輸出峰值功率為120 W(t=100 us，D=10%)。電路原理圖如圖2所示[6]。

圖2 CGHV96100F2功放電路原理圖

該功放管的實(shí)際電路如圖3所示。

圖3 CGHV96100F2功放實(shí)際電路

從上圖可以看出，輸入隔直電容通過的功率為10 W，輸出隔直電容通過的功率為120 W，兩個電容承受的功率相差一個量級[7]，所以本文重點(diǎn)關(guān)注輸出隔直電容在工作狀態(tài)時的溫度變化。根據(jù)實(shí)際情況調(diào)試過程中輸出隔直電容采用ATC 600S系列1.6 pF多層陶瓷電容。在實(shí)際工作中，本電路對功放管漏極采用了電源調(diào)制[8]。

損耗在電容上的熱量與其自身的ESR有關(guān)。其中P電容是消耗在電容上功率；ESR是電容ESR；I為通過電容的等效電流。

P電容=ESR×I2

在相同散熱及測試條件時，功放管脈沖工作狀態(tài)下，輸出峰值功率會隨著占空比的提高逐漸減小。這是因?yàn)檎伎毡仍酱?，消耗在功放管的熱量越大，功放管自身性能會下降?/p>

常溫，脈寬為100 us，不同占空比相同測試環(huán)境下輸出功率及輸出隔直電容最高溫度如表1所示。

表1 輸出功率及輸出隔直電容溫度

由表1可以看出，輸出隔直電容溫度逐步上升的過程也是功率放大器輸出功率逐步下降的過程。其中功放電路2分鐘后輸出功率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。ATC 600S電容工作溫度范圍是-55 ℃到+125 ℃?？梢钥闯龀貭顟B(tài)下，80%占空比時已經(jīng)達(dá)到電容的工作上限；在連續(xù)波狀態(tài)下功放工作10 s后輸出隔直電容的溫度就超過允許正常工作上限，20 s后電容溫度已經(jīng)達(dá)到145 ℃，之后停止測試以防隔直電容燒毀。應(yīng)用在機(jī)載雷達(dá)的固態(tài)發(fā)射機(jī)功率放大器最高工作環(huán)境溫度是+70 ℃，那么連續(xù)波狀態(tài)的功率放大器輸出隔直電容最高溫度必然會遠(yuǎn)大于145 ℃，同時功率放大器的輸出峰值功率還會比93.9 W更小。

3 隔直電容溫度分析

若要使功功放管的輸出性能達(dá)到最優(yōu)，工作在X波段功率放大器輸出隔直電容的自諧振頻率應(yīng)該在工作頻點(diǎn)附近，并且要求其ESR盡量小，這就限制了該容值電容的類型，如ATC的100 A、100 B等系列的電容或者自諧振頻率低或者ESR太大不能滿足性能要求。

調(diào)試中采用的1.6 pF電容封裝為0603，最大尺寸為1.6 mm×0.81 mm×0.89 mm，裝配在微帶線上，金屬焊盤面積很小，隔直電容散熱面積非常小，導(dǎo)致輸出隔直電容的熱耗遠(yuǎn)大于其能夠傳導(dǎo)出去熱量。

連續(xù)波工作狀態(tài)下輸出隔直電容溫度很高，試驗(yàn)過程中采用了涂抹硅脂，強(qiáng)風(fēng)對流等方式進(jìn)行散熱，但是電容的溫度僅能降低數(shù)攝氏度，依舊遠(yuǎn)超允許工作溫度上限。

4 微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的使用

由于功放管是內(nèi)匹配，輸出隔直電容沒有參與到功放管的阻抗匹配，既然該電容的溫度過高會為功放帶來隱患，那么就考慮在設(shè)計(jì)中去除該電容。電容的取消帶來了隔直功能的缺失，需要通過其他途徑實(shí)現(xiàn)隔直功能。

考慮到波導(dǎo)能夠完成非接觸式的能量傳輸，結(jié)合本電路實(shí)際情況，可將功放電路的微帶形式轉(zhuǎn)成波導(dǎo)形式，實(shí)現(xiàn)了對功放管的漏極電源與后級其他功能電路的隔離。使用微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器后的輸出電路原理圖如圖4所示。實(shí)際電路如圖5所示。

圖4 使用微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器后的輸出電路原理圖

圖5 使用微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的實(shí)際電路

實(shí)驗(yàn)過程中原輸出隔直電容位置利用與射頻主路50歐姆微帶線相同寬度的薄銅片代替，使用微帶同軸轉(zhuǎn)換接頭加同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換功能。

采用該形式的電路后，與原來相同的工作狀態(tài)，功放管的輸出性能如表2所示。

表2 采用微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換后的性能

由表2可以看出在小占空比的情況下，采用微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器沒有使功放管的輸出得到明顯優(yōu)化；不過在連續(xù)波的狀態(tài)下，采用微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器作為隔直電路的功放管輸出功率比采用電容的方式輸出功率從94 W(49.73 dBm)提高到101 W(50.04 dBm)，提高了0.3 dB?？梢娢Р▽?dǎo)轉(zhuǎn)換器的端口駐波沒有影響功放管輸出電路的阻抗特性，功放管性能得到了完整發(fā)揮。因?yàn)槿∠烁糁彪娙荩瑴p少了射頻主路上的插入損耗，輸出功率會變大，效率得到了提高，可靠性也會得到提高。

5 結(jié) 語

本文通過2分鐘達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)證明在大功率功放電路中采用微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的方式是可行的，并且比常規(guī)的隔直電容方式在大占空比或連續(xù)波狀態(tài)時更有優(yōu)勢。采用微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的形式，消除了常規(guī)X波段大功率內(nèi)匹配功放電路因?yàn)檩敵龈糁彪娙莨β屎纳⒋蠖斐蔁龤У奈ｋU，提高了大功率大占空比、寬脈沖或者連續(xù)波放大器的可靠性，并且“微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器”的插入損耗小于輸出隔直電容，能夠有效地提高整個功放電路的輸出功率。

不過微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器也有一定的使用限制，頻率如果較低，波導(dǎo)的尺寸就會非常大，會增加整個電路的體積和重量；并且小占空的情況下，隔直電容上的發(fā)熱量不大，采用該形式對功率電路的改善不明顯，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用。

同時本文采用的大功率微波功放管是內(nèi)匹配形式，通過驗(yàn)證可以看出能夠很好地適用；對于非內(nèi)匹配的大功率功放管能否采用微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器代替隔直電容還未確定，因?yàn)檫@結(jié)構(gòu)形式是否會影響功放匹配電路阻抗造成功放工作不穩(wěn)定還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

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方建洪(1969—)，男，浙江人，高級工程師，主要研究方向?yàn)槲⒉?毫米波固態(tài)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

E-mail：lvgaoqing@163.com

呂高慶(1983—)，男，山東人，高級工程師，主要研究方向?yàn)槲⒉?毫米波固態(tài)發(fā)射機(jī)射頻電路設(shè)計(jì)。

Study on an Internally Matching High-Power Amplifier Output dc Blocking Circuit

Fang Jian-hong,LV Gao-qing

(Institute of Radar and Avionics of Aviation Industry Corporation of China, Wuxi 214063, China)

This article discusses the internally matching circuit power amplifier blocking capacitor temperature performance under different duty cycle conditions.Focus analyzed under continuous-wave, quasi-continuous-wave and pulsed great situation, because there is a DC blocking capacitor ESR was a result of higher temperature may eventually burned.Proposed and implemented a “Microstrip-waveguide transition” instead of blocking capacitor, complete blocking and RF energy transfer function.By comparison test, “Microstrip-waveguide transition” will not affect the stability of the power amplifier of CGHV96100F2, and its insertion loss is less than the output DC-blocking capacitors, which can effectively improve output power at least 0.3dB of power amplifier in the large duty cycle or continuous wave state, it is possible to reduce the power amplifier heat loss and enhance the reliability of the power amplifier.

Continuous-wave；DC block；internally matching；Microstrip-waveguide transition

2016-09-09

2016-09-30

：A

1673-5692(2016)05-510-04