L波段800W高占空比脉冲功放模块设计

L波段800W高占空比脉冲功放模块设计

姚建海

身份证号：132622198102050075

摘要：基于L波段250W的GAN功放管，本文成功实现一款800W的固态脉冲功率放大模块；实验结果表明，该脉冲功率放大器可应用于L频段高占空比脉冲功率发射机中。

关键词：L波段：GAN：功率放大器：高占空比

Design of a 800W High-Duty Ratio Pulse Amplifer Module

for L-band Application

YAOJian-hai

Abstract:A1000W high-dutyratio pulse amplifier module is realized in this paper, which is based on the 300W GAN transistor for L-band application.The final measured results show that the pulse amplifier could be used for high-dutyratio L-band transmitter module application.

Key words:L-band;GAN:power amplifier: high-dutyratio

1引言

近年来，随着先进半导体技术不断深入发展，对固态功率放大器设计提供更多、更优解决方案。固态高功率放大器主要采用LDMOS（Lateral Double diffused MOS Transistor），但其散热性能差，无法满足现在设备小型化、集成化的要求，而GAN（Gallium Nitride）则提供一种最优的解决方案。

对比LDMOS放大器，GAN具有更高的效率。从单管效率来看，LDMOS功率器件的效率一般在50％左右，而GAN单管的效率一般在55％以上，且有更好的散热性能。

本文针对L波段高占空比功率发射机应用，基于国产250W的GAN功放管，通过功率合成技术，成功实现一款800W固态脉冲功率放大模块。功放模块能应用于L波段高占空比个发射机中。是一种高性能、高可靠性的高占空比功率发射机优选方案。

2功放主要技术指标

本文提出一种高增益高占空比功放模块，其主要应用于L波段发射机等设备，主要技术指标为：

（a）工作频率：L波段

（b）输出功率：≥800W

（c）效率：≥60％

（d）脉冲占空比：短期50%，长期25%

（e）脉冲顶降：≤0.3（单个脉冲）

≤0.5（脉冲序列）

3设计方案

功放模块的设计方案如图1所示，功放模块包括四只功率管、六只合路电桥，实现L波段800W平均占空比25%输出。四只功率管烧结在铜底板上，保证良好散热。

图1方案框图

单只功率管包括输入输出匹配电路、栅极和漏极直流偏置、滤波电路，如图2所示；另外还包括电源变换电路、储能电容、负压保护和漏极调制电路，如图3所示。

图2 单只功率管电路原理图

图2中，Q1为国产GaN功率管，输出连续波功率 300W，增益 17dB；“PA_IN”、“PA_OUTJT”分别表示输入、输出匹配电路；电容均采用CC41系列高Q微波瓷介电容，C1、C2为隔直电容，C3、C5为射频旁路电容，其自谐振频率应高于工作频率，在保证足够输出功率的前提下，旁路电容应尽量靠近功放管，以改善脉冲输出波形；C4、C6为滤波电容，减小电源纹波，滤波电容采取不同容值电容并联形式比较好，但是，实际中滤波电容值要

小于 1000pF，否则会使输出波形的上升／下降“沿”恶化。

图3中，“负压转换及保护电路”将＋48V电源变为负压“VGS”并通过逻辑判断，当发射开关“TTL”和“VGS”都正常后，使NPN管Q3导通，通过R2、R3组成的自举电路使PMOS管Q2导通，给功放管漏极加电；C7和C8为大容量储能电容，以减小功率管发射期间漏极电压变化幅度，C7主要保证单脉冲顶降指标要求，C8主要保证脉冲序列顶降指标要求。

图3 负压保护及漏压调制电路原理图

在设计过程中，尽量减小储能电容至PMOS管和PMOS管至旁路电容之间的导线的长度，从而减小导线电感，提高导线上电流的变化速率，改善“振铃”效应5］。上层射频电路PCB版图如图4所示，包括了输入输出匹配电路、检波电路，板材采介电常数为10.2

图4功放模块电路PCB版图

2.3 测试结果

根据图4对功放模块进行加工和装调，按脉冲串宽度5.6mS，平均占空比25%进行测试。

图5 功放主要指标测试结果

由图可看出测试结果：输出功率大于800W，单个脉冲顶降≤0.3dB，脉冲序列顶降≤0.4dB。

3 结论

本文研制了一款L频段800W高占空比脉冲功放模块，采用GaN器件结合漏极调制方式，使效率大于60％；采用国产元器件，不受限于国外管制，测试结果验证了该方案的有效性，为L波段发射机提供一种高效率、高可靠性的解决方案。

参考文献

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