微波固態(tài)功率放大器的脈沖調(diào)制技術(shù)

1、微波固態(tài)功率放大器的脈沖調(diào)制技術(shù)朱楓，錢澄東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210096E-mail：摘 要：本文完成一個(gè)C波段脈沖調(diào)制微波固態(tài)功率放大器的工作電路，脈沖上升/下降沿不超過(guò)30ns。設(shè)計(jì)主要使用P-channel MOSFET為漏極脈沖調(diào)制微波固態(tài)功率放大器設(shè)計(jì)了一個(gè)控制電路，并將其與功率放大器相結(jié)合，使它有別于開(kāi)關(guān)與功率放大器串聯(lián)的傳統(tǒng)工作電路，可以直接控制功率放大器的工作狀態(tài)，同時(shí)獲得了較傳統(tǒng)電路更大的功率容量、更高的效率以及更強(qiáng)的隔離性等。關(guān)鍵詞：功率放大器；漏極；脈沖調(diào)制；上升下降沿中圖分類號(hào)：TN1 引言脈沖調(diào)制已經(jīng)大量地被應(yīng)用在雷達(dá)和各種通信系統(tǒng)中。但由于已調(diào)信號(hào)功

2、率很小，需要經(jīng)過(guò)功率放大器才能獲得足夠的功率，送到天線輻射出去。一種常用的方法是將開(kāi)關(guān)與功率放大器串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)制1。這種傳統(tǒng)電路中功放和開(kāi)關(guān)是分離的、相互獨(dú)立的，開(kāi)關(guān)的功率容限比較小，只能工作在瓦級(jí)。當(dāng)大功率時(shí)開(kāi)關(guān)的技術(shù)就跟不上了，而且這種開(kāi)關(guān)電路的隔離性不夠。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)功率放大器仍在工作，繼續(xù)消耗能量，并產(chǎn)生寬頻譜噪聲，干擾接收機(jī)。本文中提出的脈沖調(diào)制射頻放大器則完全沒(méi)有這些缺點(diǎn)，隔離性強(qiáng)，性能更好，效率更高。2. 脈沖調(diào)制原理1半雙工體制中實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)制，一種常用的方法是將功率放大器與開(kāi)關(guān)串聯(lián)的開(kāi)關(guān)電路。當(dāng)接收信號(hào)時(shí)如果開(kāi)關(guān)的隔離性不夠，由于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)功率放大器仍在工作，就會(huì)產(chǎn)生部分泄

3、漏到低噪聲放大器，即產(chǎn)生寬頻譜噪聲，干擾接收。而且開(kāi)關(guān)的功率容限較小，只能應(yīng)用于小功率信號(hào)。另一種則是本文中提出的脈沖調(diào)制射頻放大器。脈沖調(diào)制射頻放大器是將開(kāi)關(guān)與功率放大器合為一體的，功放可以控制本身的工作狀態(tài)。通過(guò)改變偏置電壓和輸出端的電流，放大器可以迅速地轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)（工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)）。把這點(diǎn)應(yīng)用到基于FET管的放大器的漏極或柵極時(shí)，可以有效地實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)調(diào)制。2.1 柵極調(diào)制方式柵極脈沖調(diào)制一個(gè)FET或者PHEMT放大器可以通過(guò)夾斷漏極電流，從而讓它處于非工作狀態(tài)。這就需要轉(zhuǎn)換柵極電壓來(lái)達(dá)到從靜態(tài)工作點(diǎn)（工作狀態(tài)）到非工作條件。2.2 漏極調(diào)制方式漏極脈沖調(diào)制需要周期性地在兩個(gè)狀態(tài)

4、之間改變漏極電壓：0V和放大器工作所需的電壓VDS。通常依據(jù)需要提供的漏極電流的大小有兩種實(shí)現(xiàn)方法：一種功率較小，漏極電流一般在100mA以下。另外一種功率較大，漏極電流一般超過(guò)100mA.對(duì)于高功率的放大器，通?？梢远嗍褂靡粋€(gè)P-channel MOSFET 作為驅(qū)動(dòng)來(lái)提供幾安培的脈沖調(diào)制電流，見(jiàn)圖1。圖1 使用驅(qū)動(dòng)的脈沖調(diào)制電路相對(duì)于漏極調(diào)制，柵極調(diào)制有兩個(gè)很大的弊端，通常人們還是選擇漏極調(diào)制的方式。 首先，許多放大器工作在VDS值左右，將靜態(tài)工作點(diǎn)限制得很低。當(dāng)你讓柵極進(jìn)入到截止區(qū)，同時(shí)就增加了VDS，結(jié)果很可能進(jìn)入到擊穿區(qū)，這樣實(shí)現(xiàn)起來(lái)就較為困難。其次，進(jìn)行調(diào)制的兩個(gè)電壓值之間相差不大

5、，而實(shí)際操作中柵極電壓比漏極電壓的要求更嚴(yán)格。本文也采用漏極調(diào)制的方式。3. 控制電路的設(shè)計(jì)控制電路主要利用了Pchannel MOSFET可以用作開(kāi)關(guān)這一特點(diǎn)。由柵極電壓VG控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)。用FET作微波開(kāi)關(guān)的主要優(yōu)點(diǎn)是能簡(jiǎn)化偏置網(wǎng)絡(luò)，驅(qū)動(dòng)功耗小，且具有寬帶特性和大的功率容量，并且還能提供很高的開(kāi)關(guān)速度。P-channel MOSFET其他方面的應(yīng)用不及N-channel MOSFET，但是從它的輸出特性看，它比較適用于控制電路234。本設(shè)計(jì)中使用的HITACHI公司的2SJ332。我們使用ADS軟件對(duì)MOSFET的控制作用進(jìn)行了時(shí)域仿真。源極輸入（即加直流電壓），柵極加控制信號(hào)，漏極輸出。結(jié)

6、果表明管子的控制效果良好，且管子導(dǎo)通時(shí)線性工作，輸出電壓基本等于輸入電壓。整個(gè)控制電路的設(shè)計(jì)如圖2。V2為輸出端，與放大器的漏極偏置電壓輸入端相連接。為方便仿真，我們?cè)诖硕私恿?0ohm的電阻。MM11_PMOSV_DCSRC1Vdc=5 V圖2 控制電路的電路圖控制管源極所加的并聯(lián)電荷存儲(chǔ)電容(即圖中的100uF電容),在實(shí)際電路中能減小上升沿/下降沿的寬度。當(dāng)控制電路開(kāi)始作用，即電壓加到控制管源極時(shí)，并聯(lián)的電荷存儲(chǔ)電容都開(kāi)始充電，所以當(dāng)柵極控制導(dǎo)通時(shí)這些電容都一起放電，從而加快電壓的傳輸，達(dá)到減小上升沿/下降沿寬度的效果。4整體電路設(shè)計(jì)4.1 放大器設(shè)計(jì)通常選擇功率放大器用的晶體管的時(shí)候，

7、要關(guān)注工作頻率、增益等參數(shù)5。 本次設(shè)計(jì)選用的是Agilent公司的ATF-501P8，從廠家的datasheet可以了解到ATF-501P8是一個(gè)增強(qiáng)型的PHEMT，線性度高，適用于中級(jí)功率的應(yīng)用。我們將其應(yīng)用在3.5GHz。VDS = 5V, IDS= 280mA。4.2 整體電路設(shè)計(jì)將控制電路與放大器的漏極偏置電壓輸入端相連接，整體電路如圖3。MM11_PMOSMOSFET1Model=MOSFETM1L=W=CC4圖3 整體電路圖5仿真結(jié)果用ADS對(duì)整體電路進(jìn)行時(shí)域仿真，放大器輸入端加一正弦波信號(hào)，控制電路的控制端輸入一個(gè)delay time=10ns, rise/fall time=

8、10ns, width=30ns, period=100ns的脈沖信號(hào)，設(shè)置仿真時(shí)間為100 ns，步進(jìn)1 ns。其結(jié)果如圖4和圖5。 2TRAN.vout, V10-1-2020406080100time, nsec圖4 總體電路輸出仿真圖2TRAN.vout, V10-1-22530354045505560time, nsec圖5 總體電路輸出上升下降沿仿真圖 綜合圖4和圖5可以看出整體電路的仿真結(jié)果，控制效果明顯，而且比較理想，邊沿寬度相當(dāng)窄，基本在4 ns左右，遠(yuǎn)小于30 ns。 6結(jié)論 設(shè)計(jì)了一個(gè)微波固態(tài)功率放大器的脈沖調(diào)制電路，放大器工作在3.5GHz，完成了C波段的指標(biāo)。放大器與

9、控制電路相結(jié)合，有別于傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)與功放串聯(lián)的工作電路，可以直接控制功率放大器的工作狀態(tài)。仿真結(jié)果顯示控制效果明顯，且邊沿寬度比較窄，遠(yuǎn)小于30ns，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。參考文獻(xiàn)1 Pulsed RF sources EB/OL, June, 20052 Edwin. S. OxnerPower FETs and their Applications MUSA: Prentice-Hall, Inc, 19823 Santokh. S. BasiSemiconductor Pulse and Switching Circuits MUSA: John Wiley& Sons, Inc, 19

10、804 謝嘉奎，宣月清，馮軍電子線路M北京：高等教育出版社，19995 Inder Bahl, Prakash BhartiaMicrowave Solid State Circuit DesignMCanada: John Wiley& Sons, Inc, 2003Drain pulsing of microwave solid power amplifierZhu Feng Qian ChengState Key Laboratory of Millimeter Waves, Southeast University, Nanjing 210096, ChinaAbstractA

11、 C-band circuitry of drain pulsing of a microwave solid power amplifier was described, and the rise and fall time is no more than 30ns. P-channel MOSFET is used in the control circuitry and combining with power amplifier makes it different from traditional circuitry. The working status of the power amplifier can be controlled directly. More power capability、higher efficiency and b