毫米波脉冲调制功率放大器设计与实现

毫米波脉冲调制功率放大器设计与实现

肖钰赵国强孙厚军

(北京理工大学信息与电子学院,北京 100081)

摘要脉冲调制功率放大器是脉冲雷达系统的一个重要组成部分．分析了因储能电容、功放稳定电容和金丝键合组装工艺等引入的寄生参数对毫米波漏极脉冲调制功率放大器输出波形的影响,并根据分析和仿真结果设计了工程实物．测量结果表明:研制的脉冲调制功率放大器脉冲调制波形实测上升沿、下降沿均小于60 ns,最大脉冲宽度下,脉冲顶降小于10%,脉冲输出功率大于33 dBm,满足雷达系统的典型应用需求．

关键词毫米波功率放大器;脉冲调制;寄生参数分析

中图分类号TN820.1`+1

文献标志码A

文章编号1005-0388(2015)04-0803-05

AbstractA 33 dBm high power pulsed amplifier based on a monolithic microwave integrated circuit (MMIC) is designed and measured. The effect of direct current(DC) biased circuit on the pulse rising and falling time caused by the stabilizing capacitors and bond wire is discussed in detail. The measured rising and falling time is less than 60 ns, and the peak power descent is less than 10% which meets the technical requirements well.

收稿日期：2014-09-09

作者简介

Design of a millimeter-wave high power pulsed amplifier

XIAO YuZHAO GuoqiangSUN Houjun

(SchoolofInformationandElectronics,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

Key words millimeter-wave high power amplifier; pulse modulation; parasitic parameters analysis

引言

脉冲调制功率放大器是脉冲雷达系统的一个重要组成部分[1],利用脉冲调制技术对功率放大器的直流偏置电路进行调制,可使得功率放大器按照电源调制波形周期性地对输入的射频信号进行放大调制[2]．高电子迁移率晶体管是目前毫米波频段最广泛使用的固态功率放大器,其基本工作原理是在栅极电压作用下,漏区和源区之间形成导电沟道．保持一定的栅极电压,按照脉冲调制波形,周期性地改变漏极电压,使其分别工作在0 V和放大器饱和输出所需要的工作电压,即可实现功率放大器的脉冲工作,从而产生所需的射频调制信号[3]．与栅极电压调制技术相比,漏极电压调制技术对电压的微小波动不敏感,同时在调制电压关断期间可以使放大器沟道温度得到有效的降低,是一种普遍采用的方法[4]．

相比于连续波功率放大器,脉冲调制功率放大器电源调制电路引起的电流突变以及偏置电路引入的寄生参数对功率放大器的发射功率、工作稳定性、上升沿、下降沿及脉冲顶降等都有一定的影响[5],而这些参数直接影响着雷达系统发射信号的质量．针对该问题,文章分析了因储能电容、功放稳定电容和金丝键合组装工艺等引入的寄生参数对毫米波漏极脉冲调制功率放大器输出波形的影响,设计了脉冲调制功率放大器工程实物. 实测结果表明,脉冲峰值输出功率大于33 dBm,上升沿、下降沿均小于60 ns,脉冲顶降小于10%．

联系人： 赵国强 E-mail: zhaogq1976@bit.edu.cn

1脉冲调制技术参数提取与分析

1.1脉冲调制波形及参数分析

功率放大器脉冲调制的实际输出波形包络如图1所示,其主要参数包含上升沿tr、下降沿tf、脉冲宽度τ等．理想的脉冲包络顶部平坦,但实际工作中当功率放大器周期性工作时,在开启和关断瞬间会产生电流突变,当直流稳压源输出受限且电源供电线路存在电感效应时,会使功率放大器漏极电流在快速变化的情况下产生一定的压降Δu,从而使功率放大器输出幅度产生一定的压降,称为脉冲顶降(ΔA),并定义为脉冲顶部倾斜幅度与脉冲顶部幅度之比,即ΔA=Δu/U0,其中U0是功率放大器脉冲输出幅度峰值[6]．

图1　发射信号波形示意图

在功率放大器工作期间,明显的脉冲顶降将使发射信号的输出功率不一致,在雷达系统做脉冲压缩处理时,同一回波内每个采样点的功率不一致,会造成脉压波形的展宽．为了有效抑制这种现象,需在场效应管电源输入端加一定的储能电容以提供瞬时脉冲所需的电流,并起到稳定功率放大器漏极电压的作用[7]．

在脉冲间隙(雷达接收期间),电源给储能电容充电,在下一个脉冲到来之前,储能电容的电压达到固定值U0,在脉冲期间功率放大器所需要的高峰值电流i(t)则由储能电容提供,脉冲工作期间功率放大器的电压U(t)可表示为

(1)

式中: 0≤t≤τ; C为储能电容容值．于是脉冲顶降ΔA可表示为

(2)

通常,由于脉冲调制时间较短,i(t)可假定为一常量Ip,于是式(2)可写为

(3)

取ΔA=8%,U0=6V,Ip=3A,τ=30μs可得C=90μF．即若需脉冲顶降幅度小于8%,则稳定电容取值应大于90μF．

1.2寄生参数仿真与分析

一般功率放大器的漏极需要加稳定电容以防止低频震荡,保持放大器稳定．但在脉冲调制电路中,须减小稳定电容来换取更快的开关转换速度．同时,为实现良好的信号隔离,将射频电路与控制电路分置于金属盒体两侧,二者采用穿线端子互联,射频器件则采用金丝键合等工艺互联,这些互联线引入了一定的寄生参数．寄生参数的取值直接影响着调制波形的上升沿和下降沿特性．利用时域电路仿真软件对此进行分析与优化,脉冲调制电路寄生参数等效电路如图2所示．

图2　脉冲调制寄生参数等效电路

图2中,因偏置电路中金丝键合等互连工艺产生的寄生参数由与负载串联的电感L1等效,稳定电容及高频滤波电容由C2等效,C1代表储能电容,取功率放大器的典型工作电压为6 V,峰值漏极电流为3.5 A,在仿真电路中由功率电阻R等效．

设稳定电容C2为1 000 pF,寄生电感值分别取1、10、50 nH,研究组装引线寄生参数感性分量对调制波形的影响,其仿真结果如图3(a)所示．由图可见寄生电感对调制波形的稳定性影响较为显著,当寄生电感值大于10 nH时,调制器输出电压即加在功率放大器漏极端的电压信号在输入调制器的控制信号为低电平期间产生了明显的振荡,这将导致功率放大器输出波形紊乱,当振荡次数过多时,放大器会因热量积累而损毁．

实验及仿真发现,通过控制金丝键合工艺过程中劈刀压力及位移等参数,一次金丝键合引入的电感量可控制在0.1～2 nH之间[8]．考虑设计中需要进行三次互联,仿真中可取互联工艺引入的电感量为5 nH,由分析结果可知,该值不会引起输出波形的震荡．

在此基础上,研究稳定电容C2取值大小对调制波形的影响,仿真结果如图3(b)所示．稳定电容对调制波形的下降沿时间延迟影响显著,电容越小,放电速度越快,调制波形下降沿时延越短,但电容过小易导致放大器不稳定,当电容过大时,稳定电容与负载构成的放电回路放电时间过长,当调制器无正电压输出后,由稳定电容进行放电过程继续对功率放大器提供漏压电流,使得控制电路失去调制作用．

(a) 不同电感值对调制波形的影响

(b) 不同电容值对调制波形的影响 图3　寄生电容电感对脉冲调制波形的影响

当C2取值为1 μF时,控制信号为低电平期间,稳定电容仍持续放电使得放大器保持工作状态,放大器输出的发射信号会耦合至雷达接收通道从而淹没雷达目标回波信号,严重时可导致接收通道因输入信号功率过大而烧毁．综合放大器稳定性和雷达系统对发射波形下降沿时延的要求,本设计稳定电容C2的取值为1 000 pF．

2功率放大器组件工程实现

脉冲调制功率放大器多以收发组件功放单元的形式出现在雷达系统中,是收发组件的核心．基于分析和仿真结果,研制了Ka波段毫米波收发组件,并对脉冲调制功率放大器部分进行了详细设计．

收发组件主要由驱动放大器和功率放大器构成的发射支路以及由限幅器和低噪声放大器构成的接收支路组成,二者通过环形器与毫米波波导口相连．图4(a)为收发组件原理框图,图4(b)为工程实物,其中P1为波导口,P2为环形器,P3为功率放大器芯片,P4为50 Ω微带线．

(a) 原理框图　　　　　(b) 工程实物 图4　毫米波收发组件原理框图及工程实物

图5为脉冲调制电路及功率放大器装配实物图．其中,脉冲调制器选用英飞凌(International Rectifier)公司生产的IRF7406功率场效应晶体管,其漏极电流典型值为5 A,内阻为0.045 Ω,上升沿小于30 ns,下降沿小于40 ns．依据理论分析及仿真结果,储能电容取值为99 μF,稳定电容取值为1 000 pF．IRF7406的漏极输出端靠近功率放大器背面,二者通过穿线端子互联以实现电源与射频的隔离．

(a) 电源面脉冲调制电路 (b) 射频面放大器装配电路 (P1:储能电容;P2:波导;P3:穿线端子;P4:导线;P5:调制器;P6:互联金丝;P7:功率放大芯片及散热载体;P8: 1000 pF稳定电容;P9:100 pF滤波电容) 图5　脉冲调制电路及功率放大器装配实物图

功率放大器采用型号为TGA4517的单片集成电路,其典型工作电压为6 V,饱和输出时漏极电流为3.5 A,工作频段为32～38 GHz,饱和输出功率大于35 dBm．依据仿真结果,在距TGA4517芯片约2 mm处安装稳定电容并并联两只100 pF电容以消除脉冲调制产生的瞬时尖峰．装配工艺中金丝线宽选用25 μm,连线弧高小于0.5 mm,引线间距小于1 mm,以尽可能减小引入的电感．

3测试结果

毫米波脉冲调制功率放大器的性能参数测试框图如图6所示,采用脉冲电平触发器模拟脉冲雷达控制信号作为脉冲调制电路的输入信号,使得功率放大器工作在脉冲调制状态．向功率放大器输入相应的射频驱动信号后,即可在收发组件输出端(波导口)观测输出波形,考虑到功率放大器输出功率较高,在输出端级联30 dB的衰减器以保护测量仪器．

图6　毫米波脉冲调制功率放大器测试框图

依据图1对脉冲输出波形各项参数的定义,采用脉冲功率分析仪以及频谱分析仪测量输出信号各项参数,实测结果与毫米波雷达关于脉冲调制功率放大器的典型技术需求对照情况如表1所示．

表1　技术需求与实测结果对照表

4结论

本文通过对电容以及微组装工艺引入的寄生参数进行仿真分析,得出了其对毫米波漏极脉冲调制功率放大器输出波形的影响,并进行了实物验证,该分析方法可为高性能脉冲调制功率放大器的设计提供参考．

随着雷达工作频率的提高,毫米波电路的性能受寄生参数的影响越来越显著,在毫米波频段如何精确地提取各环节引入的寄生参量以及如何消除这些寄生效应,值得进一步深入研究．

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肖钰(1988-),男,湖北人,在读博士研究生,主要研究方向为小型化毫米波雷达集成技术、高密度毫米波集成电路.

赵国强(1976-),男,陕西人，北京理工大学讲师、硕士生导师,研究方向为微波/毫米波电路与系统、目标极化散射特性和极化信息处理多极化天线技术.

孙厚军(1968-),男,山东人，北京理工大学教授、博士生导师,研究方向为毫米波雷达系统、微波通信系统等.