T/R组件中功放脉冲调制电路的分析与设计

赵瑞华，王振亚，刘文豹

(中国电子科技集团第十三研究所，石家庄 050051)

T/R组件中功放脉冲调制电路的分析与设计

赵瑞华，王振亚，刘文豹

(中国电子科技集团第十三研究所，石家庄 050051)

针对相控阵雷达T/R组件中应用广泛的GaN脉冲功率放大器，提出一种高压漏极脉冲调制电路。该电路包含高集成度的PMOS驱动器和高压PMOS管SM6103，并包含快速放电通道, 该电路的输入信号为TTL信号、输出信号为+28 V脉冲信号。测试结果显示调制输出信号的上升沿小于40 ns，下降沿小于50 ns，输出电压过冲小于20%，电流驱动能力大于13 A。该脉冲调制电路结构简单、尺寸小，采用裸芯片以及铝丝键合工艺，满足T/R组件小型化的设计要求。

相控阵雷达； T/R组件； 脉冲调制； PMOS驱动器； 小型化

0 引 言

相控阵雷达T/R组件中的功率放大器均采用脉冲工作方式，随着发射功率效率等指标要求的提高，GaN功率器件以其优异的性能得到越来越广泛的应用。GaN功率放大器的工作电压一般较高，调制电路的性能和结构直接影响功率放大器的性能，因此脉冲调制电路的设计变得尤为重要。特别是在要求T/R组件尺寸小、重量轻的应用领域，调制电路也应尽量简化来满足T/R组件的小型化设计要求[1-3]。

1 功放脉冲调制电路介绍

1.1 调制电路

功放的脉冲调制电路主要分两种：一种通过开关切换对输入信号进行调制； 另一种直接对功放电源进行调制。第一种调制方法的缺点是当开关切断输入信号时，功放电源仍然加着，因此发射效率与稳定性较低。因此，一般采用电源直接调制，这种调制方式根据调制放大器电源位置的不同又分为栅极调制和漏极调制[4-6]。

1.2 栅极调制

栅极调制是指通过调制栅极电压Vg的大小来改变功放漏源电流的夹断与导通，以此实现功放工作状态的切换调制。由于栅极电流很小，驱动电路很好设计，可以得到一个较好的上升下降沿。但由于漏源电流夹断时，栅极电压比较低，功放工作状态很容易进入击穿区导致功放烧毁，稳定性差。

1.3 漏极调制

漏极调制是指通过设计电源开关电路改变功放漏极的电压状态(0 V和正常工作电压Vd)，以此实现功放工作状态和非工作状态的切换调制。相对于栅极调制，漏极调制的可靠性与稳定性更高，但需要合理设计调制电路来满足功放的上升沿和下降沿要求。

之前的功放器件普遍采用GaAs等低压器件，相应的低压调制电路比较容易实现。GaN管芯的漏极工作电压比GaAs高很多，最高达到48 V，成熟的低压调制电路无法使用。高压调制电路是采用高压驱动电路加MOS管实现，根据MOS管的不同可分为NMOS管调制电路和PMOS管调制电路，两种电路的结构分别如图1-2所示。

图1 NMOS管调制电路示意图

图2 PMOS管调制电路示意图

NMOS管调制电路是采用N型金属氧化物半导体(MOS)作为开关器件，当NMOS管的栅极电压超过源极电压一定值时(10～15 V)，MOS管源漏极导通，功放处于工作状态； 当栅极电压等于或小于源极电压时，MOS管源漏极截断，功放处于非工作状态。一般系统为功放漏极提供的电压为系统最高电压，因此NMOS管调制电路需要专门的升压电路来提供栅极驱动电压，增加电路的设计复杂度[7-10]，如图3所示。

图3 升压电路示意图

PMOS管调制电路的栅极驱动电压最大值为Vd(漏极电压值)，不需要额外的升压电路，电路比较简单，稳定性高，因此得到普遍的使用。

2 PMOS管漏极调制电路设计

2.1 原理与器件介绍

MOS管的驱动电路是PMOS管漏极调制电路的设计关键，它的性能直接影响调制输出信号的上升下降沿。MOS管是电压控制方式，理论上不需要电流驱动，但MOS管的栅极是容性输入(栅源GS、栅漏GD之间存在寄生电容)，当脉冲调制时，相当于驱动器给MOS管栅极的电容充放电； 充电时驱动器需要提供一定的电荷，栅极等效于一个瞬间的短路，放电时驱动器需要短时间内吸入栅极释放出的电荷，因此驱动器需要一定的瞬态电流驱动能力，所提供的驱动电流越大，MOS管的开启速度越快[11-13]。

由于高压PMOS管调制电路中的驱动芯片很少，一般驱动电路需要独立元器件来设计，电路面积比较大，不符合T/R组件小型化的需求。本设计采用一个集成度很高的PMOS管栅极驱动芯片，该芯片内部框图如图4所示。

图4 PMOS驱动器内部框图

该驱动器芯片自带使能位，输入TTL信号，输出同频率反向的高压方波信号(VDD-10 V和VDD)，而且该芯片集成了MOS管漏极快速放电通路，可以保证MOS管输出信号有很好的下降沿，驱动器在调制信号边沿时可提供的最大瞬时电流大于14 A。

PMOS管采用Sinopower公司的SM6103，该MOS管漏源电压可达到-60 V，电流驱动能力最大为13.9 A，当VGS=-10 V时，MOS管导通漏源内阻R<93 mΩ，MOS管电路模型如图5所示。

图5 PMOS管SM6103的电路图

2.2 电路设计

本方案设计的PMOS管调制电路原理图如图6所示，EN端为-5 V时驱动器使能工作，输入端输入TTL信号，输出端OUT引脚输出与其相位相反频率相同的高电压脉冲信号(高电平VDD、低电平VDD-10 V)。高压脉冲信号输入PMOS管SM6103的栅极，当低电平时(VDD-10 V)，MOS管源漏导通，功放模块开始工作； 当高电平时，MOS管源漏夹断，功放的电源去除，功放不工作。

图6 PMOS脉冲调制电路设计原理图

调制电路中PMOS驱动器芯片输入端与使能端串联一个小电阻保护端口，VL端与VDD之间串联一个1 μF电容稳定输出波形，防止输出被干扰。PMOS管的漏极输出与驱动器PD引脚相连作为功放模块和MOS管的电荷泄放回路。PMOS管电源输入端(源端)加储能电容，另外加两个小容值的电容来滤波，防止过冲过大烧毁器件。PMOS管的输出端(漏端)与功放的输入端加一定容值的电容滤波，但过大的电容容易影响调制信号的下降沿，因此总容值不要超过1 000 pF。驱动器输出口到MOS管栅极之间加一个小电阻，在不影响调制速度的情况下越大越好。

利用仿真软件对该方案电路图进行仿真，PMOS管的调制输出信号仿真结果如图7所示，仿真的上升沿小于30 ns，下降沿小于40 ns，高电平为+28 V，低电平为0 V，均满足设计要求。

图7 调制电路原理图仿真结果

3 设计结果与分析

应用该方案设计了一个应用于Ku波段多通道T/R组件的功放脉冲调制电路，该T/R组件功放采用GaN材料的功率放大器，工作电压为+28 V。T/R组件通道间距离仅有8.5 mm，去除通道间隔墙后，通道内宽度仅有7 mm，调制电路的设计结构空间很小，因此方案内的PMOS驱动器芯片和PMOS管均采用裸芯片，利用铝丝键合工艺实现电气连接。大容值电容采用封装陶瓷电容实现，由于空间有限，电路板采用双面设计，顶层摆放裸芯片和微带线，背面放置大容值电容。

脉冲调制电路的重复频率为50 kHz、占空比40%(周期2 μs、脉宽800 ns)，利用示波器对调制电路进行测试，当不加快速放电通路的时候，脉冲输出信号下降沿有明显的“拖尾”现象，下降沿达到了400 ns； 加上快速放电通路后，调制信号的上升沿小于40 ns，下降沿小于50 ns，电压过冲小于20%，均满足设计要求。

4 结 论

设计了一个应用于相控阵雷达T/R组件的功放+28 V脉冲调制电路，该电路采用高集成度的PMOS管驱动器加高压PMOS管，电路结构简单，性能优异，可靠性高。对应用于某Ku波段T/R组件的该调制电路进行测试，各项指标均满足设计要求。该电路可广泛应用于对小型化有要求的相控阵雷达T/R组件。

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·简讯·

雷神公司的相控阵技术——辐射单元

自从开始探索阵列互耦以来，相控阵辐射器成功经历了多次改进。如今的辐射器具有高效率、高极化纯度、宽频带和扫描范围等优点，同时减少了组件数目和系统成本。器件的演变伴随着对电磁现象及其相互作用的理解、仿真和建模的演变，包括从最初的电场偶极子分析到今天复杂的时频域三维全波解算器。

部分第一代的偶极相控阵副射器被雷神应用在早期的预警雷达系统中，例如双极化配置的精密航空电子引导设备相控阵预警系统(PAVE PAWS)。与此同时，我们的导弹防御雷达家庭中使用的波导辐射器也取得了重要进展。

印刷电路辐射器，如贴片和重叠贴片，出现在包括铱星全球通信系统在内的著名系统中。这种辐射器具有波导腔体辐射器的全部特点，但边界条件取自阵型列环境而不是物理单元特性。与以前的方法相比，堆叠式贴片辐射器的工作带宽扩展了两个数量级。

宽带辐射器(如维瓦尔第喇叭切口)的出现，满足了大带宽系统的需求。喇叭形切口提供了名义上具有线性极化的宽带性能。它的宽带特性使它成为具有60°以上扫描范围的相控阵雷达的理想选择。在过去的10年中，雷神公司开创了锥优化方法，这使切口长度压缩到明显低于常规的指数衰减缺口，同时也扩展了10倍带宽。使用一对正交偏振元件，结合幅度和相位控制，可以实现任意给定波位上的任意极化方向。

印刷电路辐射器通过低成本制造技术开启了未来成本缩减之门。图钉辐射器是一种低剖面天线，这种天线不使用长嗽叭缺口来执行阻抗变换，而是直接匹配自由空间。每个图钉辐射器由一个平衡-非平衡变压器馈电，该变压器嵌入位于基板下面的印刷电路板或者是直接印刷在辐射器架构的基底上。这种设计可用于从HF到Ku的大频率范围。图钉辐射器在高达10倍的频带范围内容具有一致和固定的相位中心。此外，这种薄平的结构产生非常低的交叉极化分量，这是许多先进的系统所渴望的特性。

紧耦合偶极阵列(TCDA)也是基于需要超宽带运行和低外形封装的AESA系统而开发的。TCDA的设计吸取了新型磁介质加载材料的优点，具有先进的介电宽角阻抗匹配(WAIM)结构，从而将有效带宽推到20倍的范围。这个能力可能在最低的运动频率上采有1/40波长的天线深度来实现，比相同带宽上的行波辐射器要薄一个数量级。偶极辐射器的天然特性使其具有双极化配置的相位中心架构，从而能够实现任意极化合成。得益于减少的高度和平面架构，与锥形和更深的辐射器相比，其表现出改进的极化纯度，尤其是在对角平面扫描中。

(赵毅寰 天 光)

Analysis and Design of the Power Amplifier Pulse Modulation Circuit for T/R Module

Zhao Ruihua, Wang Zhenya, Liu Wenbao

(The 13th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China)

This paper presents a kind of high-voltage drain pulse modulation circuit for GaN pulse power amplifier which is widely used in the phased array radar T/R module. This circuit contains PMOS driver with high integration and high-voltage PMOS transistor SM6103, and contains a fast discharge channel that the input signal is TTL signal and the output signal is +28 V pulse signal. The test results show that the rising edge of the modulated output signal is less than 40 ns, the falling edge is less than 50 ns, the overshoot of output voltage is less than 20%, and the current-driving capability is greater than 13A. The pulse modulation circuit is simple in structure and small in size, which uses bare chip and Aluminum-wire-bonding process, can meet the design requirements of miniaturization for T/R module.

phased array radar； T/R module； pulse modulation； PMOS driver； miniaturization

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.06.007

2016-08-29

赵瑞华(1972-)，男，河北宁晋人，高级工程师，研究方向为混合集成电路的研究和管理工作。

TN722.7+5

A

1673-5048(2016)06-0029-04