基于电压调节法的GaN发射组件输出功率可调研究

张启帆,周一帆,周 云

(中国船舶集团公司第七二四研究所,江苏 南京 211153)

0 引言

传统的固态发射机、发射组件,输出功率一般恒定不变。但随着雷达技术的迅猛发展,以及日益复杂的使用场景,要求发射机具有功率可调的功能[1]。

而GaN材料作为第三代半导体材料,与前两代相比具有工作频带宽、工作效率高、使用电压低等优点,是雷达功率器件目前的主要应用形式[2]。

本文基于S波段GaN发射组件展开研究,通过同时调节组件中所有功放模块的漏极电压,实现了发射组件输出功率可调的功能,同时研究了在电压变化时,发射组件的功率变化以及相位变化。

1 发射组件工作原理

固态发射组件由三级放大组成。第一级放大器采用一只输出功率约为30 W的功放单元,作为第二级的激励。第二级放大器采用一只输出功率约为300 W的功放模块,作为第三级的激励。第三级放大器则采用四路800 W功放单元合成输出[3]。

发射组件构成框如图1所示。

图1 发射组件构成

每个800 W功放单元由4个200 W GaN功放模块组成,由此可见组件的输出功率是由这16只GaN功放模块决定[4]。

通过给发射组件加上电压,以及输入初始的射频激励信号,便能将信号一级一级放大。最后通过4个800 W功放单元进行有损耗的功率合成,最终输出功率往往在2 kW左右。

2 调节电压法实现功率可调

2.1 电压调节方法

由于组件的输出功率由16个200 W GaN功放模块决定的。而功放模块的输出功率主要由其激励功率和漏极电压决定,在不改变激励的条件下,功放模块的输出功率强弱取决于漏极电压的大小[5]。

漏压降低,会使得功放模块输出的功率变小,反之依然。但需注意这种调节不可超过GaN功放模块的安全电压上限。

为使得发射组件稳定工作,快速地响应故障,组件的每一个GaN功放模块,都配置了一个独立的电源调制芯片。组件使用的是BW752芯片,只有满足使能端EN有效和有TTL控制输入命令时,才会给功放模块加上漏压,保证了模块的安全使用,调制原理如图2所示。

实验时使用安捷伦的仪表电源,型号为N6702A,能实时地控制S发射组件的工作电压。发射组件测试如图3所示。

图3 发射组件测试

2.2 幅相一致性对功率合成的影响

功放组件中的功率分配与合成,幅相一致性是至关重要的指标,如两路合成,幅相一致性对合成效率的影响的理论计算公式如下:

(1)

(2)

其中P1、P2为两路输入功率,P0、Pd为有效输出功率和耗散功率,θ为输入两路信号的相位。由公式可见,合成效率与输入信号的幅度和相位平衡关系相当大:当一路无输入时,另一路仅一半的功率有效输出;当相位相差90°时,输出功率也仅为两路输入功率和的一半差。

因此,当组件电压回退时,想要在机柜上使用,必须要求其能保证幅度和相位的一致性。

3 测试验证

发射组件实际测试如图4所示。

图4 发射组件实际测试

选择两个S发射组件进行测试,编号为01#和02#,进行数据对比。从正常工作电压24 V开始,每2 V一个步进开始降压,分别测试两个组件的输出功率。

由图5所示,同一组件电压回退幅度越大,不同频率的输出功率起伏也有变大的趋势,但总体能保持在一个可以接受的范围。

图5 组件降压功率回退变化

01#组件和02#组件,电压从24 V下降到14 V时,带内起伏都控制在1 dB以内,各频点输出功率回退达到6 dB。

而当电压下降到8 V时,各频点输出功率回退达到10 dB,满足10 dB三阶可调的要求,而带内起伏也大体控制在3 dB以内。

而不同的发射组件,在相同的工作频率下,电压回退时功率幅度回退一致性较好。

当多个组件降压后,想要在机柜上合成使用时,除了要保证功率幅值的一致性时,相位的一致性也需要保证。

4 结语

通过调节电压来改变发射组件的输出功率,具备操作容易、可靠性高等优点。当从正常工作电压24 V下降到8 V时,可以实现高达14 dB的功率调节范围,并且组件带内起伏在3 dB以内。不同组件降压调节时,组件间功率幅度差保持在1 dB以内,相位差保持在±13°以内,达到在机柜上使用的条件。

当组件漏极工作电压从24 V下降到8 V时,不论在哪一种频率下,组件间功率幅度差都保持在1.2 dB以内,如表1所示。

表1 电压回退时两组件功率差值变化

实验验证了降压时两个组件相位的变化数据,如表2所示,当组件漏极工作电压从24 V下降到8 V时,不论在哪一种频率下,组件间相位差都保持在±13°范围以内,能保证在机柜上正常使用。

表2 电压回退时两组件相位差值变化