GaN发射组件输出功率可调技术研究

郭 辉，周一帆，张启帆

(中国船舶集团公司第七二四研究所，江苏 南京 211153)

0 引言

氮化镓材料作为第三代半导体的主要材料，与一、二代半导体材料相比，具有工作频段宽、工作电压高、单位面积功率密度高、热传导率高等优点，是雷达系统功率器件应用的主要形式和发展方向。

对于GaN发射组件，输出功率大小是最重要的指标之一。大部分工程应用中，一般恒定的发射功率即可满足要求，但某些特殊场合则要求可变的发射功率。

本文的氮化镓发射组件是由若干个氮化镓功放模块级联而成。因此，当关断某个或者数个功放模块时，发射组件的输出功率会有不同幅度的减小，从而达到发射组件输出功率可调的目的。

1 发射组件工作原理简介

本文设计的发射组件工作于C波段，主要由前级功放模块、800 W功放单元、均衡器、四路功率分配器、高功率四路合成器及耦合器、电源时序及调制电路和数字采样控制电路组成，其原理如图1所示。

图1 发射组件原理

发射组件输入的射频激励信号，经过前级功放模块放大到100 W左右，后端级联均衡器用于调平不同频点的功率值；然后通过四路功率分配器驱动四路800 W功放单元，每一路800 W功放单元由4个相同的200 W功放模块构成。最终各路功放单元的输出功率通过高功率四路功率合成器进行合成，实现发射组件输出功率达到2 kW。电源时序和调制电路负责给各个功放单元提供负电保护和脉冲调制。检测保护电路可以实时监控组件电流、电压、温度、输出功率等参数并及时进行故障保护。

2 功率可调实现方法

根据发射组件的设计原理及组成特性，可以通过3种方式实现组件输出功率可调。第一种是调节输入激励信号，使组件内部的功放模块工作在放大区，此时输出功率会随着激励变化而改变；但本文研究的雷达发射组件通常工作在深度饱和区域，激励信号较小幅度的改变几乎不会对输出功率产生影响，而深度回退激励信号难以保证组件内部功放模块的幅相一致性，所以排除此种方法。

第二种方法是调节组件内功放模块工作电压，在电压变化时，功放模块能保持稳定的幅相一致性，但功放模块工作电压可调范围相对较小，会极大地限制输出功率调节范围。

综合以上考虑，本文选取了第三种即功放关断法实现发射组件输出功率可调，此种方法只需要针对性地设计部分电源控制电路、串馈失配反射吸收技术，再通过程序指令即可关断组件内部指定功放模块，从而实现输出功率可调。

2.1 ARM控制独立电源芯片开关技术

氮化镓功放模块工作在AB类，静态电流很大。为了提高发射组件的效率，需要对功放模块进行漏极调制。同时，氮化镓功放模块还要求上电时先加栅极负压再加漏极正压，关电时先关漏极正压再关栅极负压。若顺序错误，会导致功放模块损坏。因此笔者设计了专门的电源时序和调制电路，来实现对功放模块加电的控制和保护。

组件内部功放模块较多，设计时如果采取统一调制供电的方式，会产生电流过大、引线过长等问题，不利于发射组件的稳定工作。所以，本文采取独立供电及调制的设计，给每一个功放模块都单独配置了一个电源时序和保护电路。电源调制电路原理如图2所示。

图2 电源调制电路原理

设计中选用中电十三所研制的BW760电源调制芯片，每个功放模块均对应一个单独的BW760电源芯片，芯片上使能端分别接至ARM的I/0控制管脚。

如图2所示，当ARM拉低某个管脚的使能电平，该管脚对应的BW760芯片会关断功放模块的漏极电压，从而使该功放模块无法工作，同时其他功放模块不受影响，可以正常运行。当负压不正常时，该路BW760芯片同样也会关断功放模块的漏极电压，从而达到保护该模块的目的。只有当ARM控制管脚和负压同时正常，BW760芯片才会随着TTL管脚的调制信号，同步对漏压实行调制。

2.2 串馈失配反射吸收技术

4个200 W功放模块和一对小功率4路功率分配/合成器组成一个800 W功放单元。串馈分配/合成器如图3所示。为了保证功率合成效率，合成链路需要匹配良好、幅相一致性较高，所以串馈通常是成对使用的。而关断某个功放模块，无疑会破坏合成链路匹配性能，这样引起的失配造成的合成损耗，若不能有效吸收，会烧毁合成器从而造成组件损坏。

图3 反射吸收式串馈实物

为了解决上述弊端，组件所采用的串馈需要拥有较高的抗失配能力。如图3所示，串馈为成对使用，以保证合成链路的相位匹配；串馈侧边为输入/输出口，中间4个端口为传输端口，当有功放模块被关断时，分配器提供给该模块的输入功率便会被反射回来，被该路的射频负载吸收。同时，由于缺失该路模块的输出功率，造成4路合成不一致而产生合成损耗，也会被该路合成器的负载吸收。这就保证了合成链路失配时，组件工作的稳定性。

3 测试验证

发射组件正面俯视图如图4所示，发射组件最后一级功率合成采用了4路800 W功放单元，每个功放单元包含4个功放模块，即总计16个功放模块；通过软件设定，分别测试不关断任何功放、关断4个功放、关断8个功放和关断12个功放时，发射组件的输出功率变化情况。实验选取了一只发射组件进行测试，分别记为1#和2#组件。

图4 发射组件实物

测试数据如表1—2所示，从表中可以看出在关断任意不同数量的功放模块时，两个组件的输出功率带内起伏仍能保持在1 dB范围，其带内平坦度维持较好。此外，在关断相同数量功放模块时，相同的频点下，不同组件的输出功率差值也能保持在合理的范围内。通过数据可以看出，关断4，8，12个功放模块时，分别可实现组件输出功率3，6，12 dB幅度的输出回退，这基本与理论值一致。

表1 1#组件输出峰值功率测试/dBm

表2 2#组件输出峰值功率测试/dBm

发射组件输出功率除幅值外，相位也是较为重要的参数。实验测试了关断不同数量功放时，1#发射组件的相位数据，如图5所示，同一频点的相位没有太大变化，维持在±5°内，满足使用要求。

图5 发射组件相位测试

4 结语

功放关断法具有操作简单、灵活可控、风险较小等优点，通过程序关断不同数量的功放模块，可以自由实现固态GaN发射组件输出功率在0～12 dB范围内的动态调节，且带内起伏小于1 dB，相位起伏小于±5°。这一设计可以便捷地用于当前装备，大大拓展了发射组件的应用场合。