微波固态功率放大器的脉冲调制技术

1、微波固态功率放大器的脉冲调制技术朱枫，钱澄东南大学毫米波国家重点实验室，南京210096E-mail：摘 要：本文完成一个C波段脉冲调制微波固态功率放大器的工作电路，脉冲上升/下降沿不超过30ns。设计主要使用P-channel MOSFET为漏极脉冲调制微波固态功率放大器设计了一个控制电路，并将其与功率放大器相结合，使它有别于开关与功率放大器串联的传统工作电路，可以直接控制功率放大器的工作状态，同时获得了较传统电路更大的功率容量、更高的效率以及更强的隔离性等。关键词：功率放大器；漏极；脉冲调制；上升下降沿中图分类号：TN1 引言脉冲调制已经大量地被应用在雷达和各种通信系统中。但由于已调信号功

2、率很小，需要经过功率放大器才能获得足够的功率，送到天线辐射出去。一种常用的方法是将开关与功率放大器串联来实现脉冲调制1。这种传统电路中功放和开关是分离的、相互独立的，开关的功率容限比较小，只能工作在瓦级。当大功率时开关的技术就跟不上了，而且这种开关电路的隔离性不够。当开关断开时功率放大器仍在工作，继续消耗能量，并产生宽频谱噪声，干扰接收机。本文中提出的脉冲调制射频放大器则完全没有这些缺点，隔离性强，性能更好，效率更高。2. 脉冲调制原理1半双工体制中实现脉冲调制，一种常用的方法是将功率放大器与开关串联的开关电路。当接收信号时如果开关的隔离性不够，由于开关断开时功率放大器仍在工作，就会产生部分泄

3、漏到低噪声放大器，即产生宽频谱噪声，干扰接收。而且开关的功率容限较小，只能应用于小功率信号。另一种则是本文中提出的脉冲调制射频放大器。脉冲调制射频放大器是将开关与功率放大器合为一体的，功放可以控制本身的工作状态。通过改变偏置电压和输出端的电流，放大器可以迅速地转换工作状态（工作状态和非工作状态）。把这点应用到基于FET管的放大器的漏极或栅极时，可以有效地实现脉冲信号调制。2.1 栅极调制方式栅极脉冲调制一个FET或者PHEMT放大器可以通过夹断漏极电流，从而让它处于非工作状态。这就需要转换栅极电压来达到从静态工作点（工作状态）到非工作条件。2.2 漏极调制方式漏极脉冲调制需要周期性地在两个状态

4、之间改变漏极电压：0V和放大器工作所需的电压VDS。通常依据需要提供的漏极电流的大小有两种实现方法：一种功率较小，漏极电流一般在100mA以下。另外一种功率较大，漏极电流一般超过100mA.对于高功率的放大器，通常可以多使用一个P-channel MOSFET 作为驱动来提供几安培的脉冲调制电流，见图1。图1 使用驱动的脉冲调制电路相对于漏极调制，栅极调制有两个很大的弊端，通常人们还是选择漏极调制的方式。 首先，许多放大器工作在VDS值左右，将静态工作点限制得很低。当你让栅极进入到截止区，同时就增加了VDS，结果很可能进入到击穿区，这样实现起来就较为困难。其次，进行调制的两个电压值之间相差不大

5、，而实际操作中栅极电压比漏极电压的要求更严格。本文也采用漏极调制的方式。3. 控制电路的设计控制电路主要利用了Pchannel MOSFET可以用作开关这一特点。由栅极电压VG控制开关状态。用FET作微波开关的主要优点是能简化偏置网络，驱动功耗小，且具有宽带特性和大的功率容量，并且还能提供很高的开关速度。P-channel MOSFET其他方面的应用不及N-channel MOSFET，但是从它的输出特性看，它比较适用于控制电路234。本设计中使用的HITACHI公司的2SJ332。我们使用ADS软件对MOSFET的控制作用进行了时域仿真。源极输入（即加直流电压），栅极加控制信号，漏极输出。结

6、果表明管子的控制效果良好，且管子导通时线性工作，输出电压基本等于输入电压。整个控制电路的设计如图2。V2为输出端，与放大器的漏极偏置电压输入端相连接。为方便仿真，我们在此端接了50ohm的电阻。MM11_PMOSV_DCSRC1Vdc=5 V图2 控制电路的电路图控制管源极所加的并联电荷存储电容(即图中的100uF电容),在实际电路中能减小上升沿/下降沿的宽度。当控制电路开始作用，即电压加到控制管源极时，并联的电荷存储电容都开始充电，所以当栅极控制导通时这些电容都一起放电，从而加快电压的传输，达到减小上升沿/下降沿宽度的效果。4整体电路设计4.1 放大器设计通常选择功率放大器用的晶体管的时候，

7、要关注工作频率、增益等参数5。 本次设计选用的是Agilent公司的ATF-501P8，从厂家的datasheet可以了解到ATF-501P8是一个增强型的PHEMT，线性度高，适用于中级功率的应用。我们将其应用在3.5GHz。VDS = 5V, IDS= 280mA。4.2 整体电路设计将控制电路与放大器的漏极偏置电压输入端相连接，整体电路如图3。MM11_PMOSMOSFET1Model=MOSFETM1L=W=CC4图3 整体电路图5仿真结果用ADS对整体电路进行时域仿真，放大器输入端加一正弦波信号，控制电路的控制端输入一个delay time=10ns, rise/fall time=

8、10ns, width=30ns, period=100ns的脉冲信号，设置仿真时间为100 ns，步进1 ns。其结果如图4和图5。 2TRAN.vout, V10-1-2020406080100time, nsec图4 总体电路输出仿真图2TRAN.vout, V10-1-22530354045505560time, nsec图5 总体电路输出上升下降沿仿真图 综合图4和图5可以看出整体电路的仿真结果，控制效果明显，而且比较理想，边沿宽度相当窄，基本在4 ns左右，远小于30 ns。 6结论 设计了一个微波固态功率放大器的脉冲调制电路，放大器工作在3.5GHz，完成了C波段的指标。放大器与

9、控制电路相结合，有别于传统的开关与功放串联的工作电路，可以直接控制功率放大器的工作状态。仿真结果显示控制效果明显，且边沿宽度比较窄，远小于30ns，达到了设计指标。参考文献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 谢嘉奎，宣月清，冯军电子线路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