在脈沖雷達應用中，從發(fā)射到接收操作的過渡期間需要快速開啟/關(guān)閉高功率放大器 (HPA)。典型的轉(zhuǎn)換時間目標可能小于1 s。傳統(tǒng)上，這是通過漏極控制來實現(xiàn)的。漏極控制需要在28 V至50 V的電壓下切換大電流。已知開關(guān)功率技術(shù)可以勝任這一任務，但會涉及額外的物理尺寸和電路問題。在現(xiàn)代相控陣天線開發(fā)中，雖然要求盡可能低的SWaP（尺寸重量和功耗），但希望消除與HPA漏極開關(guān)相關(guān)的復雜問題。

 

 

通過漏極控制開關(guān)HPA的典型配置如圖1所示。一個串聯(lián)FET開啟輸入HPA的高電壓。控制電路需要將邏輯電平脈沖轉(zhuǎn)換為更高電壓以使串聯(lián)FET導通。

 

此配置的難點包括：

 

 

控制電路的設計方法已是眾所周知且行之有效。然而，相控陣系統(tǒng)不斷期望集成封裝并降低SWaP，因此希望消除上述難點。實際上，人們的愿望是完全消除漏極控制電路。

 

圖1. 傳統(tǒng)HPA脈沖漏極配置。

 

 

柵極驅(qū)動電路的目標是將邏輯電平信號轉(zhuǎn)換成合適的GaN HPA柵極控制信號。需要一個負電壓來設置適當?shù)钠秒娏?，以及一個更大的負電壓來關(guān)閉器件。因此，電路應接受正邏輯電平輸入并轉(zhuǎn)換為兩個負電壓之間的脈沖。電路還需要克服柵極電容影響，提供急速上升時間，過沖應極小或沒有。

 

對柵極偏置設置的擔憂是，偏置電壓的小幅增加可能導致HPA電流的顯著增加。這就增加了一個目標，即柵極控制電路應非常穩(wěn)定，并有一個箝位器來防止受損。另一個問題是，設置所需漏極電流時，不同器件的最佳偏置電壓有差異。這種差異使得人們更希望有系統(tǒng)內(nèi)可編程柵極偏置特性。

 

圖2. 推薦HPA柵極驅(qū)動電路。

 

圖2所示電路達成了所述的全部目標。運算放大器U1使用反相單負電源配置。利用一個精密DAC設置運算放大器基準電壓，以實現(xiàn)V+引腳上的增益。當邏輯輸入為高電平時，運算放大器箝位到負供電軌。當輸入為低電平時，運算放大器輸出接近一個小的負值，該值由電阻值和DAC設置決定。反相配置是故意選擇的，目的是當邏輯輸入為低電平或接地時開啟HPA，因為邏輯低電平的電壓差異小于邏輯高電平。采用軌到軌運算放大器，它具有較大壓擺率和足夠的輸出電流驅(qū)動能力，適合該應用。

 

元件值選擇如下：

 

 

用于驗證電路的測試設置如圖3所示。對精密DAC、運算放大器和HPA使用評估板。一個脈沖發(fā)生器用于模擬1.8 V邏輯信號。信號發(fā)生器連續(xù)工作，利用一個輸入帶寬高于RF頻率的RF采樣示波器測量HPA對RF信號的開啟/關(guān)閉。

 

圖3. 測試設置。

 

測試所用的元器件值參見表1。

 

表1. 所用元器件值

 

實測開啟時間如圖4所示。時間標度為每格500 ns，RF信號的上升時間小于200 ns。對于測量從柵極脈沖開始到RF脈沖上升沿結(jié)束的時間的系統(tǒng)，可以看到開啟時間約為300 ns，這說明系統(tǒng)分配1s用于發(fā)射到接收轉(zhuǎn)換會有相當可觀的裕量。

 

圖4. 實測HPA開啟時間。

 

圖5. 實測HPA關(guān)閉時間。

 

實測關(guān)閉時間如圖5所示。時間標度同樣是每格500 ns，下降時間明顯快于上升時間，同樣遠小于200 ns，說明系統(tǒng)分配1 s用于發(fā)射到接收轉(zhuǎn)換會有相當可觀的裕量。

 

 

對一個代表性布局做了尺寸研究，如圖6所示。柵極脈沖電路的運算放大器部分放置在通向HPA輸入的RF路徑附近。精密DAC未顯示出來，假定其放置在控制部分中，為多個發(fā)射通道提供輸入。布局研究表明，可將該電路添加到實際的低成本PWB實現(xiàn)方案中，發(fā)射RF電路所需的額外空間極小。

 

圖6. 物理尺寸分配。

 

 

本文提出了一種獨特的柵極脈沖電路，并進行了HPA快速開/關(guān)評估。

 

其特性包括：

 

 

先進電子系統(tǒng)集成度不斷提高，要求縮小物理尺寸，因此可以想象，這種電路及其方法的其他變化，將開始在需要快速HPA轉(zhuǎn)換時間的相控陣應用中激增。