一種推挽型光導(dǎo)微波放大器的電效率分析

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(guó)防科技大學(xué) 前沿交叉學(xué)科學(xué)院; 2. 脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 國(guó)防科技大學(xué) 文理學(xué)院: 長(zhǎng)沙 410073)

隨著微波光子學(xué)和固態(tài)高功率微波器件的發(fā)展，利用光導(dǎo)半導(dǎo)體產(chǎn)生微波的方案得到廣泛關(guān)注[1-3]。面對(duì)日益復(fù)雜的電磁環(huán)境，與傳統(tǒng)電真空器件相比，光導(dǎo)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(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。光導(dǎo)微波源中的固態(tài)光導(dǎo)微波產(chǎn)生器件以調(diào)制激光作為種子源，調(diào)制光導(dǎo)半導(dǎo)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(dǎo)半導(dǎo)體材料，具有抖動(dòng)低、響應(yīng)快、線性度好等優(yōu)異特性。以美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Zuker等為代表的多位研究人員[4-7]證明了利用光導(dǎo)半導(dǎo)體可產(chǎn)生主頻、脈寬和重復(fù)頻率等多參數(shù)可調(diào)的高功率微波。光導(dǎo)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(jìn)行相干合成，實(shí)現(xiàn)陣列化。

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

提高光導(dǎo)微波直流到射頻的電效率是光導(dǎo)微波源的重要研究?jī)?nèi)容之一，本文基于SiC的光導(dǎo)器件，開(kāi)展了推挽放大電路設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究。光導(dǎo)器件和推挽放大電路的優(yōu)勢(shì)在于：(1)與傳統(tǒng)晶體管相比，光導(dǎo)器件的功率密度高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，功率要求相同時(shí)，光導(dǎo)器件系統(tǒng)體積和重量小，可實(shí)現(xiàn)緊湊化設(shè)計(jì)；(2)光導(dǎo)器件頻率調(diào)諧范圍廣，帶寬寬，能適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境中不同頻段的目標(biāo)；(3)光導(dǎo)器件利用輸入光信號(hào)控制開(kāi)關(guān)，多個(gè)器件疊加增大輸出功率，電路不影響光信號(hào)的控制；(4)在推挽放大電路中，與晶體管相比，光導(dǎo)器件沒(méi)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(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)；(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(duì)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(dǎo)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(photoconductive semiconductor switches， PCSS)產(chǎn)生X波段微波信號(hào)，并采用推挽式功率放大電路來(lái)提升系統(tǒng)效率的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)仿真計(jì)算，當(dāng)輸入輸出波形均為標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)時(shí)，最大電效率可達(dá)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(mǎn)足快速響應(yīng)要求，但耐壓性較差，熱導(dǎo)率較低，且具有“鎖定”效應(yīng)[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(dǎo)體，SiC耐高壓高溫，具有暗電阻高和響應(yīng)快速的光電性能，以SiC為基體的光導(dǎo)器件已實(shí)現(xiàn)2 MW以上的功率輸出[10-11]。對(duì)于光導(dǎo)放大器，以SiC代替GaAs可實(shí)現(xiàn)更高耐壓，線性區(qū)間更寬，能同時(shí)兼顧大功率條件下的線性和高效率。圖1為光導(dǎo)放大器基本結(jié)構(gòu)及6H-SiC光導(dǎo)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(guó)防科技大學(xué)伍麒霖等[15]在基于線性光導(dǎo)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(dǎo)器件和脈沖激光和分光延遲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了SiC光導(dǎo)推挽放大輸出。當(dāng)輸入激光功率為8 kW，波長(zhǎng)為1 064 nm時(shí)，輸出光電流為0.19 A，偏置電壓為5.6 kV，系統(tǒng)電功率達(dá)到千瓦量級(jí)；當(dāng)輸入激光功率為33 kW，波長(zhǎng)為532 nm時(shí)，輸出光電流為2.7 A，偏置電壓為4.9 kV，系統(tǒng)電功率達(dá)到10 kW量級(jí)。

1 理論與仿真分析

Bahl等[16]研究表明，當(dāng)輸入正弦信號(hào)時(shí)，AB型晶體管功放的效率最高為78.5%。對(duì)于光導(dǎo)推挽電路，當(dāng)入射激光和輸出射頻均為正弦波時(shí)，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(dǎo)器件的導(dǎo)通電阻隨光強(qiáng)增加而降低，并始終存在大于0的導(dǎo)通電阻，有一部分電功率消耗在光導(dǎo)器件上，負(fù)載電效率低于理想的78.5%。同時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和條件，對(duì)推挽電路進(jìn)行計(jì)算和仿真。國(guó)防科技大學(xué)王朗寧等[17]、Wu等[18]基于線性光導(dǎo)器件的大功率微波產(chǎn)生技術(shù)，設(shè)計(jì)了光導(dǎo)器件的PSpice模型，如圖2所示。該模型可通過(guò)調(diào)節(jié)激光功率、波長(zhǎng)、頻率及脈沖寬度等激光參數(shù)和載流子遷移率、光導(dǎo)器件尺寸及量子效率等器件參數(shù)改變光導(dǎo)器件的導(dǎo)通電阻，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置不同輸入?yún)?shù)。

根據(jù)圖2所示光導(dǎo)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(shí)驗(yàn)室激光器的高斯波形計(jì)算電效率，在1/4個(gè)周期內(nèi)，負(fù)載上的電壓可表示為

(1)

負(fù)載電阻RL上的平均輸出功率為

(2)

(3)

考慮到光導(dǎo)放大器的響應(yīng)，推挽電流相互抵消，能實(shí)現(xiàn)的電效率為

(4)

由圖2可見(jiàn)，負(fù)載與光導(dǎo)器件分壓，電效率與SiC最小導(dǎo)通電阻之間的關(guān)系為

(5)

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

對(duì)2個(gè)光導(dǎo)器件加載大小相等的正負(fù)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(shè)置為±14 kV，通過(guò)調(diào)節(jié)光強(qiáng)改變光導(dǎo)器件的最小導(dǎo)通電阻。當(dāng)導(dǎo)通電阻為50 Ω時(shí)，得到單路及推挽輸出波形，如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，直流部分約為975 V，計(jì)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(shí)，光導(dǎo)器件最小導(dǎo)通電阻為50 Ω，電效率為27.64%。根據(jù)式(5)，可得導(dǎo)通電阻為50 Ω時(shí)，電效率隨光導(dǎo)器件最小導(dǎo)通電阻的變化關(guān)系，如圖5所示。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

激光器波長(zhǎng)為1 030 nm；脈寬為300 ps；頻率為1 GHz；每次連續(xù)輸出8個(gè)高斯脈沖，脈沖簇的重復(fù)頻率為200 kHz。實(shí)驗(yàn)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(cè)器(UPD-70-UVIR-D)測(cè)得激光波形，如圖6所示。

搭建實(shí)驗(yàn)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(guò)滑軌微調(diào)實(shí)現(xiàn)500 ps的時(shí)延差。

2個(gè)光導(dǎo)器件輸出的光電流經(jīng)功率合成器件合成后進(jìn)入負(fù)載。負(fù)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(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，光導(dǎo)器件的導(dǎo)通電阻不能小于100 Ω。

首先，為計(jì)算方便，忽略合路器(combiner)的插損，對(duì)單路和推挽的輸出波形進(jìn)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(shí)驗(yàn)中所用直流電壓為±2 kV；單路輸出電壓幅值為15 V；此時(shí)光導(dǎo)器件電阻為6.62 kΩ。由圖8(a)可計(jì)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(shí)，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(dǎo)器件的最小導(dǎo)通電阻為6.62 kΩ，根據(jù)圖5的仿真曲線，計(jì)算得到該實(shí)驗(yàn)條件下的電效率為0.41%，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果0.45%接近。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和式(5)可預(yù)測(cè)光功率較高，且導(dǎo)通電阻在100 Ω以下時(shí)，光導(dǎo)器件的電效率隨最小導(dǎo)通電阻的變化關(guān)系，如圖9所示。

由圖9可見(jiàn)，最小導(dǎo)通電阻為50 Ω時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電效率為30.34%，電效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果高于仿真結(jié)果。原因在于：首先，計(jì)算推挽輸出電壓幅值時(shí)，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(gè)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(jì)算輸入功率時(shí)用到單路輸出波形作為輸入電流圖像，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果大于仿真結(jié)果。仿真與實(shí)驗(yàn)的電效率都比理論計(jì)算的電效率低，主要原因?yàn)椋悍抡婧蛯?shí)驗(yàn)的輸出脈沖因器件響應(yīng)展寬，產(chǎn)生直流和較多的低頻成分，輸入功率增大；合路時(shí)正負(fù)電流的抵消造成損耗，影響輸出幅值，輸出功率降低，導(dǎo)致仿真和實(shí)驗(yàn)的電效率遠(yuǎn)不及理論計(jì)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(guò)理論計(jì)算、仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到推挽型光導(dǎo)微波放大器的電效率隨光導(dǎo)器件最小導(dǎo)通電阻的變化關(guān)系。忽略合路器插入損耗時(shí)，在低光功率下得到的電效率高于并接近仿真計(jì)算結(jié)果，說(shuō)明該仿真模型在分析推挽型光導(dǎo)微波放大器的電效率時(shí)有一定指導(dǎo)意義。圖4(b)所示的仿真推挽輸出波形各脈沖幅值隨時(shí)間的增加而降低，而單路輸出和實(shí)驗(yàn)中得到的波形并沒(méi)有出現(xiàn)該現(xiàn)象，說(shuō)明仿真模型的推挽合成部分需進(jìn)一步分析和優(yōu)化，可通過(guò)添加合路器等模擬實(shí)驗(yàn)條件。

對(duì)于仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均低于理想電效率的主要原因在于光導(dǎo)器件響應(yīng)帶來(lái)的脈沖展寬，導(dǎo)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，為實(shí)現(xiàn)光導(dǎo)微波放大器高功率和高效率輸出，需進(jìn)一步進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)通電阻，可有效提高輸出功率和電效率。