基于GaN HEMT的脉冲高功率放大器的分析与设计

摘要

近年来，随着无线系统的飞速发展，固态功率放大器在雷达发射机、无线通信和电子对抗等领域的重要性不断提高。高功率、小型化、高效率的功率放大器成为目前的研究趋势。与连续波功率放大器相比，脉冲功率放大器能够有效地提高功率放大器的效率同时能够降低系统对散热的要求，因此脉冲功率放大器被广泛应用于电子对抗和脉冲雷达等系统中。　　本文主要基于GaN HEMT器件研制高功率脉冲功率放大器，主要工作内容如下:　　1、针对X波段的高功率放大链路输出功率的要求，研究整体的电路设计方案，包括链路各级增益的分配、具体器件的选择、偏置电路、外围匹配电路以及结构腔体的构建。应用ADS软件对射频电路进行仿真和优化，并结合HFSS软件对腔体自谐振频率进行仿真与验证，最后通过Auto CAD和Solidworks软件绘制出最终的版图和腔体结构。　　2、选择漏极脉冲调制的方式作为脉冲功率放大器的调制模式。接着深入分析了影响脉冲波形时域参数的几种原因，并进行优化，保证了脉冲调制电压具有快速的上升沿和下降沿，在脉冲状态内电压平稳。同时，为功率放大器设计了负栅压供电电路以及保护电路，满足了功率放大链路对电压的需求。最后利用Altium Designer完成了整个电源电路的绘制。　　3、对电源电路以及射频链路进行调试与测试，通过使用一款基于VB的控制程序，实现对所有测量仪表的高效控制，软件控制界面与各个测量仪表之间的通讯经虚拟仪器软件结构VISUAL实现。测试结果表明，本文最终实现了中心频率为f0GHz、带宽600MHz、脉冲周期为1ms、占空比0.1％～1％可调的条件下，链路增益大于58dB、效率超过25％、脉冲峰值输出功率大于250W的脉冲高功率放大器。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景与意义

1．2国内外研究现状

1．2．1半导体器件发展动态概述

1．2．2 GaN HEMT功率放大器的研究现状

1．3本课题的主要工作

2功率放大器的基本理论

2．1微波二端口网络及其S参数

2．2功率放大器的主要指标

2．2．1工作频率

2．2．2增益与增益平坦度

2．2．3输出功率

2．2．4效率

2．2．5输入输出驻波比(VSWR)

2．2．6脉冲时域参数

2．3功率放大器的匹配方法

2．4功率放大器的分类

2．5稳定性分析

2．6本章小结

3高功率放大器的链路设计

3．1高功率放大器的设计指标

3．2链路方案及器件选择

3．2．1链路方案

3．2．2 GaN功率管的选择

3．2．3板材选取

3．3直流偏置电路设计

3．4射频电路设计

3．4．1驱动级仿真

3．4．2功率级仿真

3．5结构设计与电路布局

3．6本章小结

4脉冲调制电路与电源设计

4．1脉冲功率放大器的调制方式

4．2脉冲调制电路的设计与分析

4．2．1指标要求

4．2．2器件选型

4．2．3储能电容

4．2．4负载电路

4．2．5调制电路的仿真与分析

4．3电源电路以及栅极保护电路设计

4．4电路的版图设计

4．5本章小结

5脉冲功率放大器的调试与测试

5．1功率放大器的调试

5．1．1调试的方法

5．1．2调试的注意事项

5．2脉冲功率放大器的测试

5．2．1测试内容

5．2．2测试方法

5．2．3测试结果及分析

5．3本章小结

6总结与展望

6．1本文的主要工作

6．2后续工作与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间己发表的论文情况