毫米波脈沖調(diào)制功率放大器設(shè)計與實現(xiàn)

肖鈺趙國強(qiáng)孫厚軍

(北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院,北京 100081)

摘要脈沖調(diào)制功率放大器是脈沖雷達(dá)系統(tǒng)的一個重要組成部分．分析了因儲能電容、功放穩(wěn)定電容和金絲鍵合組裝工藝等引入的寄生參數(shù)對毫米波漏極脈沖調(diào)制功率放大器輸出波形的影響,并根據(jù)分析和仿真結(jié)果設(shè)計了工程實物．測量結(jié)果表明:研制的脈沖調(diào)制功率放大器脈沖調(diào)制波形實測上升沿、下降沿均小于60 ns,最大脈沖寬度下,脈沖頂降小于10%,脈沖輸出功率大于33 dBm,滿足雷達(dá)系統(tǒng)的典型應(yīng)用需求．

關(guān)鍵詞毫米波功率放大器;脈沖調(diào)制;寄生參數(shù)分析

中圖分類號TN820.1`+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號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

作者簡介

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

脈沖調(diào)制功率放大器是脈沖雷達(dá)系統(tǒng)的一個重要組成部分[1],利用脈沖調(diào)制技術(shù)對功率放大器的直流偏置電路進(jìn)行調(diào)制,可使得功率放大器按照電源調(diào)制波形周期性地對輸入的射頻信號進(jìn)行放大調(diào)制[2]．高電子遷移率晶體管是目前毫米波頻段最廣泛使用的固態(tài)功率放大器,其基本工作原理是在柵極電壓作用下,漏區(qū)和源區(qū)之間形成導(dǎo)電溝道．保持一定的柵極電壓,按照脈沖調(diào)制波形,周期性地改變漏極電壓,使其分別工作在0 V和放大器飽和輸出所需要的工作電壓,即可實現(xiàn)功率放大器的脈沖工作,從而產(chǎn)生所需的射頻調(diào)制信號[3]．與柵極電壓調(diào)制技術(shù)相比,漏極電壓調(diào)制技術(shù)對電壓的微小波動不敏感,同時在調(diào)制電壓關(guān)斷期間可以使放大器溝道溫度得到有效的降低,是一種普遍采用的方法[4]．

相比于連續(xù)波功率放大器,脈沖調(diào)制功率放大器電源調(diào)制電路引起的電流突變以及偏置電路引入的寄生參數(shù)對功率放大器的發(fā)射功率、工作穩(wěn)定性、上升沿、下降沿及脈沖頂降等都有一定的影響[5],而這些參數(shù)直接影響著雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射信號的質(zhì)量．針對該問題,文章分析了因儲能電容、功放穩(wěn)定電容和金絲鍵合組裝工藝等引入的寄生參數(shù)對毫米波漏極脈沖調(diào)制功率放大器輸出波形的影響,設(shè)計了脈沖調(diào)制功率放大器工程實物. 實測結(jié)果表明,脈沖峰值輸出功率大于33 dBm,上升沿、下降沿均小于60 ns,脈沖頂降小于10%．

聯(lián)系人： 趙國強(qiáng) E-mail: zhaogq1976@bit.edu.cn

1脈沖調(diào)制技術(shù)參數(shù)提取與分析

1.1脈沖調(diào)制波形及參數(shù)分析

功率放大器脈沖調(diào)制的實際輸出波形包絡(luò)如圖1所示,其主要參數(shù)包含上升沿tr、下降沿tf、脈沖寬度τ等．理想的脈沖包絡(luò)頂部平坦,但實際工作中當(dāng)功率放大器周期性工作時,在開啟和關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生電流突變,當(dāng)直流穩(wěn)壓源輸出受限且電源供電線路存在電感效應(yīng)時,會使功率放大器漏極電流在快速變化的情況下產(chǎn)生一定的壓降Δu,從而使功率放大器輸出幅度產(chǎn)生一定的壓降,稱為脈沖頂降(ΔA),并定義為脈沖頂部傾斜幅度與脈沖頂部幅度之比,即ΔA=Δu/U0,其中U0是功率放大器脈沖輸出幅度峰值[6]．

圖1　發(fā)射信號波形示意圖

在功率放大器工作期間,明顯的脈沖頂降將使發(fā)射信號的輸出功率不一致,在雷達(dá)系統(tǒng)做脈沖壓縮處理時,同一回波內(nèi)每個采樣點的功率不一致,會造成脈壓波形的展寬．為了有效抑制這種現(xiàn)象,需在場效應(yīng)管電源輸入端加一定的儲能電容以提供瞬時脈沖所需的電流,并起到穩(wěn)定功率放大器漏極電壓的作用[7]．

在脈沖間隙(雷達(dá)接收期間),電源給儲能電容充電,在下一個脈沖到來之前,儲能電容的電壓達(dá)到固定值U0,在脈沖期間功率放大器所需要的高峰值電流i(t)則由儲能電容提供,脈沖工作期間功率放大器的電壓U(t)可表示為

(1)

式中: 0≤t≤τ; C為儲能電容容值．于是脈沖頂降ΔA可表示為

(2)

通常,由于脈沖調(diào)制時間較短,i(t)可假定為一常量Ip,于是式(2)可寫為

(3)

取ΔA=8%,U0=6V,Ip=3A,τ=30μs可得C=90μF．即若需脈沖頂降幅度小于8%,則穩(wěn)定電容取值應(yīng)大于90μF．

1.2寄生參數(shù)仿真與分析

一般功率放大器的漏極需要加穩(wěn)定電容以防止低頻震蕩,保持放大器穩(wěn)定．但在脈沖調(diào)制電路中,須減小穩(wěn)定電容來換取更快的開關(guān)轉(zhuǎn)換速度．同時,為實現(xiàn)良好的信號隔離,將射頻電路與控制電路分置于金屬盒體兩側(cè),二者采用穿線端子互聯(lián),射頻器件則采用金絲鍵合等工藝互聯(lián),這些互聯(lián)線引入了一定的寄生參數(shù)．寄生參數(shù)的取值直接影響著調(diào)制波形的上升沿和下降沿特性．利用時域電路仿真軟件對此進(jìn)行分析與優(yōu)化,脈沖調(diào)制電路寄生參數(shù)等效電路如圖2所示．

圖2　脈沖調(diào)制寄生參數(shù)等效電路

圖2中,因偏置電路中金絲鍵合等互連工藝產(chǎn)生的寄生參數(shù)由與負(fù)載串聯(lián)的電感L1等效,穩(wěn)定電容及高頻濾波電容由C2等效,C1代表儲能電容,取功率放大器的典型工作電壓為6 V,峰值漏極電流為3.5 A,在仿真電路中由功率電阻R等效．

設(shè)穩(wěn)定電容C2為1 000 pF,寄生電感值分別取1、10、50 nH,研究組裝引線寄生參數(shù)感性分量對調(diào)制波形的影響,其仿真結(jié)果如圖3(a)所示．由圖可見寄生電感對調(diào)制波形的穩(wěn)定性影響較為顯著,當(dāng)寄生電感值大于10 nH時,調(diào)制器輸出電壓即加在功率放大器漏極端的電壓信號在輸入調(diào)制器的控制信號為低電平期間產(chǎn)生了明顯的振蕩,這將導(dǎo)致功率放大器輸出波形紊亂,當(dāng)振蕩次數(shù)過多時,放大器會因熱量積累而損毀．

實驗及仿真發(fā)現(xiàn),通過控制金絲鍵合工藝過程中劈刀壓力及位移等參數(shù),一次金絲鍵合引入的電感量可控制在0.1～2 nH之間[8]．考慮設(shè)計中需要進(jìn)行三次互聯(lián),仿真中可取互聯(lián)工藝引入的電感量為5 nH,由分析結(jié)果可知,該值不會引起輸出波形的震蕩．

在此基礎(chǔ)上,研究穩(wěn)定電容C2取值大小對調(diào)制波形的影響,仿真結(jié)果如圖3(b)所示．穩(wěn)定電容對調(diào)制波形的下降沿時間延遲影響顯著,電容越小,放電速度越快,調(diào)制波形下降沿時延越短,但電容過小易導(dǎo)致放大器不穩(wěn)定,當(dāng)電容過大時,穩(wěn)定電容與負(fù)載構(gòu)成的放電回路放電時間過長,當(dāng)調(diào)制器無正電壓輸出后,由穩(wěn)定電容進(jìn)行放電過程繼續(xù)對功率放大器提供漏壓電流,使得控制電路失去調(diào)制作用．

(a) 不同電感值對調(diào)制波形的影響

(b) 不同電容值對調(diào)制波形的影響 圖3　寄生電容電感對脈沖調(diào)制波形的影響

當(dāng)C2取值為1 μF時,控制信號為低電平期間,穩(wěn)定電容仍持續(xù)放電使得放大器保持工作狀態(tài),放大器輸出的發(fā)射信號會耦合至雷達(dá)接收通道從而淹沒雷達(dá)目標(biāo)回波信號,嚴(yán)重時可導(dǎo)致接收通道因輸入信號功率過大而燒毀．綜合放大器穩(wěn)定性和雷達(dá)系統(tǒng)對發(fā)射波形下降沿時延的要求,本設(shè)計穩(wěn)定電容C2的取值為1 000 pF．

2功率放大器組件工程實現(xiàn)

脈沖調(diào)制功率放大器多以收發(fā)組件功放單元的形式出現(xiàn)在雷達(dá)系統(tǒng)中,是收發(fā)組件的核心．基于分析和仿真結(jié)果,研制了Ka波段毫米波收發(fā)組件,并對脈沖調(diào)制功率放大器部分進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計．

收發(fā)組件主要由驅(qū)動放大器和功率放大器構(gòu)成的發(fā)射支路以及由限幅器和低噪聲放大器構(gòu)成的接收支路組成,二者通過環(huán)形器與毫米波波導(dǎo)口相連．圖4(a)為收發(fā)組件原理框圖,圖4(b)為工程實物,其中P1為波導(dǎo)口,P2為環(huán)形器,P3為功率放大器芯片,P4為50 Ω微帶線．

(a) 原理框圖　　　　　(b) 工程實物 圖4　毫米波收發(fā)組件原理框圖及工程實物

圖5為脈沖調(diào)制電路及功率放大器裝配實物圖．其中,脈沖調(diào)制器選用英飛凌(International Rectifier)公司生產(chǎn)的IRF7406功率場效應(yīng)晶體管,其漏極電流典型值為5 A,內(nèi)阻為0.045 Ω,上升沿小于30 ns,下降沿小于40 ns．依據(jù)理論分析及仿真結(jié)果,儲能電容取值為99 μF,穩(wěn)定電容取值為1 000 pF．IRF7406的漏極輸出端靠近功率放大器背面,二者通過穿線端子互聯(lián)以實現(xiàn)電源與射頻的隔離．

(a) 電源面脈沖調(diào)制電路 (b) 射頻面放大器裝配電路 (P1:儲能電容;P2:波導(dǎo);P3:穿線端子;P4:導(dǎo)線;P5:調(diào)制器;P6:互聯(lián)金絲;P7:功率放大芯片及散熱載體;P8: 1000 pF穩(wěn)定電容;P9:100 pF濾波電容) 圖5　脈沖調(diào)制電路及功率放大器裝配實物圖

功率放大器采用型號為TGA4517的單片集成電路,其典型工作電壓為6 V,飽和輸出時漏極電流為3.5 A,工作頻段為32～38 GHz,飽和輸出功率大于35 dBm．依據(jù)仿真結(jié)果,在距TGA4517芯片約2 mm處安裝穩(wěn)定電容并并聯(lián)兩只100 pF電容以消除脈沖調(diào)制產(chǎn)生的瞬時尖峰．裝配工藝中金絲線寬選用25 μm,連線弧高小于0.5 mm,引線間距小于1 mm,以盡可能減小引入的電感．

3測試結(jié)果

毫米波脈沖調(diào)制功率放大器的性能參數(shù)測試框圖如圖6所示,采用脈沖電平觸發(fā)器模擬脈沖雷達(dá)控制信號作為脈沖調(diào)制電路的輸入信號,使得功率放大器工作在脈沖調(diào)制狀態(tài)．向功率放大器輸入相應(yīng)的射頻驅(qū)動信號后,即可在收發(fā)組件輸出端(波導(dǎo)口)觀測輸出波形,考慮到功率放大器輸出功率較高,在輸出端級聯(lián)30 dB的衰減器以保護(hù)測量儀器．

圖6　毫米波脈沖調(diào)制功率放大器測試框圖

依據(jù)圖1對脈沖輸出波形各項參數(shù)的定義,采用脈沖功率分析儀以及頻譜分析儀測量輸出信號各項參數(shù),實測結(jié)果與毫米波雷達(dá)關(guān)于脈沖調(diào)制功率放大器的典型技術(shù)需求對照情況如表1所示．

表1　技術(shù)需求與實測結(jié)果對照表

4結(jié)論

本文通過對電容以及微組裝工藝引入的寄生參數(shù)進(jìn)行仿真分析,得出了其對毫米波漏極脈沖調(diào)制功率放大器輸出波形的影響,并進(jìn)行了實物驗證,該分析方法可為高性能脈沖調(diào)制功率放大器的設(shè)計提供參考．

隨著雷達(dá)工作頻率的提高,毫米波電路的性能受寄生參數(shù)的影響越來越顯著,在毫米波頻段如何精確地提取各環(huán)節(jié)引入的寄生參量以及如何消除這些寄生效應(yīng),值得進(jìn)一步深入研究．

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肖鈺(1988-),男,湖北人,在讀博士研究生,主要研究方向為小型化毫米波雷達(dá)集成技術(shù)、高密度毫米波集成電路.

趙國強(qiáng)(1976-),男,陜西人，北京理工大學(xué)講師、碩士生導(dǎo)師,研究方向為微波/毫米波電路與系統(tǒng)、目標(biāo)極化散射特性和極化信息處理多極化天線技術(shù).

孫厚軍(1968-),男,山東人，北京理工大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師,研究方向為毫米波雷達(dá)系統(tǒng)、微波通信系統(tǒng)等.