基于GaN HEMT脉冲功率放大器特性的功率控制策略研究

武庆威

(中国人民解放军92941部队，辽宁 葫芦岛 125000)

0 引言

在现代电子装备、通信系统及多功能系统等领域，宽带功率放大器有广泛的应用，以氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料，是继以硅(Si)为代表的第一代半导体材料和以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料之后，迅速发展起来的新型半导体材料。GaN材料具有宽带隙、大电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温和抗腐蚀及耐辐照等突出优点，特别适合制作高频、高效率、耐高温及耐高电压的大功率微波器件，基于GaN的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)具有输出功率密度大、耐高温及耐辐照等特点，能满足电子装备对微波功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣条件(更高温度)下工作的要求[1]。国外在GaN功率放大器芯片方面开展了深入研究，美国、日本和欧洲相继在GaN微波功率器件，资助并主导GaN微波领域启动了相关科研项目，并已报道了多篇基于GaN HEMT工艺的宽带功率放大器，TriQuint、Cree及三菱电机等国外公司也陆续发布了各自的GaN MMIC(单片微波集成电路)产品[2-3]。国内在GaN技术应用方面也开展了深入的研究，某研究所设计开发出了多种型号的功率放大器组件，如GaN HEMT脉冲功率放大器和GaN内匹配功率管等产品。项目组利用国产GaN HEMT脉冲功率放大器设计了一套S频段雷达模拟器，在实际使用过程中发现在实现有效辐射功率6 dB内衰减时，宽带调频信号在带内的输出功率起伏很大，信号质量较差。针对出现的这种情况，本文结合雷达模拟器结构特点和GaN HEMT脉冲功率放大器工作特性[4]，基于射频信号空间合成技术[5]，提出了一种通过控制有源阵列天线功放组件工作单元数量的方式来实现有效辐射功率6 dB内衰减控制的方法。

1 GaN HEMT脉冲功率放大器工作特性

功率放大器根据导通角[6]可以分为A类、B类、AB类、C类、D类、E类和F类，其中A类放大器线性度最高，一般在30%～50%左右，但其效率最低；B类放大器线性比A类差，效率比A类高，理想状态下效率可达78%；C类放大器的导通时间比周期短，导通角小于180°，线性很差，理想状态下效率可达100%；D类和E类放大器是开关模式放大器。为了提高功放的工作效率，保证可靠度，本项目采用国产GaN HEMT脉冲功率放大器工作在C类状态，功率放大器静态工作点低，功耗小，在大工作比条件下保证功率放大器的热参数在安全范围内，这样做的弊端导致输出信号功率线性度差。当输入信号功率变小时，功率放大器增益变大，特别是多级功率放大器级联后，线性度恶化，因而当采取减小雷达信号产生分系统输入信号功率来控制雷达模拟器实际输出功率衰减时，虽然能达到有效辐射功率衰减的目的，但实际衰减功率不容易控制，输出功率稳定性差，且宽带调频信号在带内的输出功率起伏很大，信号质量差。采用通过控制有源阵列天线功放组件工作单元数量的方式来实现有效辐射功率6 dB内衰减控制方法，不仅精确控制有效辐射功率的输出，还能增大雷达辐射源的波束宽度。

2 有源阵列天线组成

雷达模拟器主要由有源阵列天线、雷达信号产生分系统、主控分系统、伺服分系统、局部基准和供电分系统等组成，其中，有源阵列天线由有源电路(固态功率放大器)与天线阵列中的每一个辐射单元直接连接而成。每个天线单元增益较低，但是当按一定规则将天线单元排列在一起，形成大的阵面后，在各辐射单元输入等幅、等相位的大功率信号，即可在阵面法线方向上获得较高的天线增益。为了获得较大的有效辐射功率，有源阵列天线采取前置级放大器模块、推动级放大器模块和末级放大器模块多级串联的结构[7-8]，阵列天线由56个天线单元组成，每4个天线单元为一组，共14组，功放组件为四通道一个模块，共14个模块。有源阵列天线结构如图1所示。

图1 阵列天线结构图

3 理论计算及仿真分析

天线阵列的辐射特性决定单元的数目、分布形式、单元间距、激励幅度和相位等[9-10]，控制这些因素可以改变辐射场特征。在本设计中为解决辐射功率6 dB内衰减问题，采取关断末级功放模块的办法来实现，通过调整关断模块的数量来实现多种功率衰减控制。

3.1 理论分析

等效辐射功率的理论计算公式为：

ERP=Pt*Gt。

(1)

式中，ERP为等效辐射功率；Pt为发射机总输出功率；Gt为天线阵面增益。

发射机总输出功率与末级功放组件工作数量相关，当末级功放组件不工作时，与之连接的天线组件输入信号幅度等于零，对天线增益无贡献。因此当部分末级功放不工作时，式(1)变为：

ERP=Pt*(14-n)/14*Gt*(14-n)/14，

(2)

式中，n为关断模块数量。

在不同数量关断模块数量方案下，理论计算功率衰减值如表1所示。

表1 等效辐射功率衰减控制结果表

关断模块数量功率衰减值(理论值)/ dB功率衰减值(仿真值)/ dB关断2个模块1.341.26关断3个模块2.092.02关断4个模块2.922.85关断5个模块3.833.72关断6个模块4.864.81关断7个模块6.025.97

3.2 仿真分析

采用ANSYS HFSS软件[11-12]对天线阵面进行仿真，对比不同排列方式、不同单元数量阵列方向图特性的影响，仿真结果见表1。

由表1可以看出：通过关断不同数量的模块，雷达模拟器实际输出功率能够实现6 dB内可控衰减，控制步进为1 dB；仿真结果和理论计算值基本吻合。

4 实验测试

4.1 测试方法

在空旷的室外环境下，采用空间辐射接收的方法对有源阵列天线各个组合合成后波束功率进行测试，测试框图如图2所示。

图2 雷达模拟器有效辐射功率测试框图

雷达模拟器有效辐射功率满足：

P1=Pe-L1+G1-L2，

(3)

式中，P1为频谱仪接收到的最大功率；Pe为雷达模拟器等效输出功率；L1为射频测试线缆的损耗；L2为射频信号在空气中传播的空间损耗[12]；G1为接收天线的增益。射频信号在空气中传播的空间损耗L2由式(4)确定：

L2=32.4+20*lgD+20*lgF，

(4)

式中，D为接收天线端口至雷达模拟器天线阵列间的最小水平距离，单位为km；F为射频信号的频率，单位为MHz。

通过控制末级功放工作模块数量和位置的方法实现雷达模拟器输出功率6 dB内衰减控制。对于不工作的模块，采用40 dB衰减器或50 Ω负载连接在末级功放组件的输入端及功分器对应的输出端，防止因输入端、输出端开路产生自激对设备造成损伤。在实际测试中，对有源阵列天线组件模块编号如图3所示。

图3 有源阵列天线组件模块编号示意图

4.2 测试数据分析及结论

利用远控计算机、主控分系统和雷达信号产生分系统，使雷达模拟器输出4个不同频率的脉宽为5 μs，重复周期为200 μs的单脉冲信号，通过频谱仪读取并记录下各个频率在不同模块组合下的接收到的信号最大功率值P1，数据记录如表2所示，对记录数据进行处理，结果如表3所示。

表2 数据记录表

关断模块数量模块工作情况测试频点f/GHz,对应P1值/dBmf1f2f3f4关断0个模块1～14模块均工作-15.3-15.7-16.9-16.4关断2个模块2～7、9～14模块工作,1、8模块不工作-16.5-17.2-17.6-17.1关断3个模块4～14模块工作,1、2、3模块不工作-17.4-18.0-19.4-18.6关断4个模块4～7、9～14模块工作,1、2、3、8模块不工作-18.2-18.7-19.6-18.8关断5个模块4～8、11～14模块工作,1、2、3、9、10模块不工作-18.7-19.7-21.5-20.1关断6个模块4～7、11～14模块工作,1、2、3、8、9、10模块不工作-20.1-21.0-22.4-21.1关断7个模块8～14模块工作,1～7模块不工作-21.1-22.0-22.8-21.8

表3 数据处理结果表

关断模块数量测试频点f/GHz,对应功率衰减值/dBf1f2f3f4均值关断0个模块00000关断2个模块1.21.50.70.71.0关断3个模块2.12.32.52.22.3关断4个模块2.93.02.72.42.8关断5个模块3.44.04.63.73.9关断6个模块4.85.35.54.75.1关断7个模块5.86.35.95.45.9

由表3可以得出如下结论：在允许误差为1 dB的条件下，通过控制辐射单元数量和组合的控制策略能够实现雷达模拟器有效辐射功率6 dB内衰减的控制，控制步进1 dB。

5 结束语

基于国产GaN功率管工作于C类饱和状态的特性，提出了一种通过控制辐射单元数量和组合的控制策略来实现雷达模拟器有效辐射功率6 dB内衰减的控制，仿真分析和试验验证结果均表明允许误差1 dB范围内该策略合理可行，为雷达模拟器在实际使用中解决不同输出功率要求提供指导意见。