基于電壓調(diào)節(jié)法的GaN發(fā)射組件輸出功率可調(diào)研究

張啟帆,周一帆,周 云

(中國(guó)船舶集團(tuán)公司第七二四研究所,江蘇 南京 211153)

0 引言

傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)射機(jī)、發(fā)射組件,輸出功率一般恒定不變。但隨著雷達(dá)技術(shù)的迅猛發(fā)展,以及日益復(fù)雜的使用場(chǎng)景,要求發(fā)射機(jī)具有功率可調(diào)的功能[1]。

而GaN材料作為第三代半導(dǎo)體材料,與前兩代相比具有工作頻帶寬、工作效率高、使用電壓低等優(yōu)點(diǎn),是雷達(dá)功率器件目前的主要應(yīng)用形式[2]。

本文基于S波段GaN發(fā)射組件展開(kāi)研究,通過(guò)同時(shí)調(diào)節(jié)組件中所有功放模塊的漏極電壓,實(shí)現(xiàn)了發(fā)射組件輸出功率可調(diào)的功能,同時(shí)研究了在電壓變化時(shí),發(fā)射組件的功率變化以及相位變化。

1 發(fā)射組件工作原理

固態(tài)發(fā)射組件由三級(jí)放大組成。第一級(jí)放大器采用一只輸出功率約為30 W的功放單元,作為第二級(jí)的激勵(lì)。第二級(jí)放大器采用一只輸出功率約為300 W的功放模塊,作為第三級(jí)的激勵(lì)。第三級(jí)放大器則采用四路800 W功放單元合成輸出[3]。

發(fā)射組件構(gòu)成框如圖1所示。

圖1 發(fā)射組件構(gòu)成

每個(gè)800 W功放單元由4個(gè)200 W GaN功放模塊組成,由此可見(jiàn)組件的輸出功率是由這16只GaN功放模塊決定[4]。

通過(guò)給發(fā)射組件加上電壓,以及輸入初始的射頻激勵(lì)信號(hào),便能將信號(hào)一級(jí)一級(jí)放大。最后通過(guò)4個(gè)800 W功放單元進(jìn)行有損耗的功率合成,最終輸出功率往往在2 kW左右。

2 調(diào)節(jié)電壓法實(shí)現(xiàn)功率可調(diào)

2.1 電壓調(diào)節(jié)方法

由于組件的輸出功率由16個(gè)200 W GaN功放模塊決定的。而功放模塊的輸出功率主要由其激勵(lì)功率和漏極電壓決定,在不改變激勵(lì)的條件下,功放模塊的輸出功率強(qiáng)弱取決于漏極電壓的大小[5]。

漏壓降低,會(huì)使得功放模塊輸出的功率變小,反之依然。但需注意這種調(diào)節(jié)不可超過(guò)GaN功放模塊的安全電壓上限。

為使得發(fā)射組件穩(wěn)定工作,快速地響應(yīng)故障,組件的每一個(gè)GaN功放模塊,都配置了一個(gè)獨(dú)立的電源調(diào)制芯片。組件使用的是BW752芯片,只有滿(mǎn)足使能端EN有效和有TTL控制輸入命令時(shí),才會(huì)給功放模塊加上漏壓,保證了模塊的安全使用,調(diào)制原理如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)使用安捷倫的儀表電源,型號(hào)為N6702A,能實(shí)時(shí)地控制S發(fā)射組件的工作電壓。發(fā)射組件測(cè)試如圖3所示。

圖3 發(fā)射組件測(cè)試

2.2 幅相一致性對(duì)功率合成的影響

功放組件中的功率分配與合成,幅相一致性是至關(guān)重要的指標(biāo),如兩路合成,幅相一致性對(duì)合成效率的影響的理論計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

其中P1、P2為兩路輸入功率,P0、Pd為有效輸出功率和耗散功率,θ為輸入兩路信號(hào)的相位。由公式可見(jiàn),合成效率與輸入信號(hào)的幅度和相位平衡關(guān)系相當(dāng)大:當(dāng)一路無(wú)輸入時(shí),另一路僅一半的功率有效輸出;當(dāng)相位相差90°時(shí),輸出功率也僅為兩路輸入功率和的一半差。

因此,當(dāng)組件電壓回退時(shí),想要在機(jī)柜上使用,必須要求其能保證幅度和相位的一致性。

3 測(cè)試驗(yàn)證

發(fā)射組件實(shí)際測(cè)試如圖4所示。

圖4 發(fā)射組件實(shí)際測(cè)試

選擇兩個(gè)S發(fā)射組件進(jìn)行測(cè)試,編號(hào)為01#和02#,進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。從正常工作電壓24 V開(kāi)始,每2 V一個(gè)步進(jìn)開(kāi)始降壓,分別測(cè)試兩個(gè)組件的輸出功率。

由圖5所示,同一組件電壓回退幅度越大,不同頻率的輸出功率起伏也有變大的趨勢(shì),但總體能保持在一個(gè)可以接受的范圍。

圖5 組件降壓功率回退變化

01#組件和02#組件,電壓從24 V下降到14 V時(shí),帶內(nèi)起伏都控制在1 dB以?xún)?nèi),各頻點(diǎn)輸出功率回退達(dá)到6 dB。

而當(dāng)電壓下降到8 V時(shí),各頻點(diǎn)輸出功率回退達(dá)到10 dB,滿(mǎn)足10 dB三階可調(diào)的要求,而帶內(nèi)起伏也大體控制在3 dB以?xún)?nèi)。

而不同的發(fā)射組件,在相同的工作頻率下,電壓回退時(shí)功率幅度回退一致性較好。

當(dāng)多個(gè)組件降壓后,想要在機(jī)柜上合成使用時(shí),除了要保證功率幅值的一致性時(shí),相位的一致性也需要保證。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)調(diào)節(jié)電壓來(lái)改變發(fā)射組件的輸出功率,具備操作容易、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)從正常工作電壓24 V下降到8 V時(shí),可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)14 dB的功率調(diào)節(jié)范圍,并且組件帶內(nèi)起伏在3 dB以?xún)?nèi)。不同組件降壓調(diào)節(jié)時(shí),組件間功率幅度差保持在1 dB以?xún)?nèi),相位差保持在±13°以?xún)?nèi),達(dá)到在機(jī)柜上使用的條件。

當(dāng)組件漏極工作電壓從24 V下降到8 V時(shí),不論在哪一種頻率下,組件間功率幅度差都保持在1.2 dB以?xún)?nèi),如表1所示。

表1 電壓回退時(shí)兩組件功率差值變化

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了降壓時(shí)兩個(gè)組件相位的變化數(shù)據(jù),如表2所示,當(dāng)組件漏極工作電壓從24 V下降到8 V時(shí),不論在哪一種頻率下,組件間相位差都保持在±13°范圍以?xún)?nèi),能保證在機(jī)柜上正常使用。

表2 電壓回退時(shí)兩組件相位差值變化