脈沖雷達(dá)憑借高測距精度、強(qiáng)抗干擾能力等優(yōu)勢，在國防預(yù)警、航空航天、民用導(dǎo)航等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。GaN(氮化鎵)MMIC(單片微波集成電路)功率放大器作為脈沖雷達(dá)射頻前端的核心部件，具有高功率密度、寬帶寬、高效率等突出特性，但其對電源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定性及可靠性提出了嚴(yán)苛要求。本文針對脈沖雷達(dá)應(yīng)用場景，深入分析GaN MMIC功率放大器的電源需求特性，重點(diǎn)探討電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選型、動(dòng)態(tài)供電技術(shù)、電磁兼容性設(shè)計(jì)及保護(hù)機(jī)制等關(guān)鍵電源管理技術(shù)，最后展望其未來發(fā)展趨勢，為脈沖雷達(dá)用GaN MMIC功率放大器電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：脈沖雷達(dá);GaN MMIC;功率放大器;電源管理;動(dòng)態(tài)響應(yīng)

在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中，射頻前端的性能直接決定雷達(dá)的探測距離、分辨率和抗干擾能力。GaN材料作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體的代表，相較于傳統(tǒng)的Si和GaAs材料，具有更高的擊穿電場、電子遷移率和熱導(dǎo)率，基于GaN材料的MMIC功率放大器能夠在微波、毫米波頻段實(shí)現(xiàn)高輸出功率、高效率的信號放大，成為脈沖雷達(dá)射頻前端的優(yōu)選器件。然而，脈沖雷達(dá)的工作模式具有顯著的周期性脈沖特征，其發(fā)射脈沖的占空比通常在1%~50%之間動(dòng)態(tài)變化，這就要求為GaN MMIC功率放大器供電的電源系統(tǒng)具備快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，能夠在脈沖開啟瞬間迅速提供穩(wěn)定的輸出電壓和電流，在脈沖關(guān)閉時(shí)快速切斷供電以降低靜態(tài)功耗。同時(shí)，GaN MMIC功率放大器的高功率密度特性使其對電源的紋波、噪聲及熱穩(wěn)定性要求極高，電源系統(tǒng)的性能缺陷可能直接導(dǎo)致功率放大器輸出信號失真、效率下降，甚至損壞器件。因此，開展針對脈沖雷達(dá)的GaN MMIC功率放大器電源管理技術(shù)研究，對提升雷達(dá)系統(tǒng)整體性能具有重要意義。

與傳統(tǒng)連續(xù)波雷達(dá)不同，脈沖雷達(dá)的發(fā)射鏈路僅在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)工作，這使得GaN MMIC功率放大器的電源需求呈現(xiàn)出鮮明的動(dòng)態(tài)特性。首先，在動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面，脈沖雷達(dá)的脈沖上升時(shí)間通常為納秒至微秒級，為保證功率放大器能夠快速進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，電源系統(tǒng)需在極短時(shí)間內(nèi)完成從待機(jī)狀態(tài)到額定輸出狀態(tài)的切換，輸出電壓的上升時(shí)間需小于脈沖上升時(shí)間的1/5，同時(shí)電流響應(yīng)需同步跟進(jìn)，避免因供電滯后導(dǎo)致脈沖前沿失真。其次，在電壓穩(wěn)定性方面，GaN MMIC功率放大器的輸出功率對供電電壓極為敏感，電壓波動(dòng)每增加1%，輸出功率可能產(chǎn)生2%~3%的偏差，因此電源系統(tǒng)的輸出電壓紋波需控制在毫伏級，尤其是在脈沖工作期間，需有效抑制因電流突變產(chǎn)生的電壓跌落。再次，在功耗控制方面，脈沖關(guān)閉期間，電源系統(tǒng)應(yīng)盡可能降低靜態(tài)電流，避免不必要的能量損耗，同時(shí)減少器件的熱積累，這對延長功率放大器的使用壽命至關(guān)重要。最后，在可靠性方面，GaN MMIC功率放大器的擊穿電壓雖然較高，但對浪涌電壓和反向電流極為敏感，電源系統(tǒng)需具備完善的過壓、過流、反向極性保護(hù)功能，以應(yīng)對復(fù)雜的雷達(dá)工作環(huán)境。

(一)高效電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選型

電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選型直接決定電源系統(tǒng)的效率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。針對脈沖雷達(dá)的動(dòng)態(tài)負(fù)載特性，隔離式DC-DC變換器因其具備電氣隔離、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢，成為GaN MMIC功率放大器電源系統(tǒng)的主流選擇。其中，反激式變換器適用于中小功率場景，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小的特點(diǎn)，通過優(yōu)化變壓器的磁芯材料和繞組設(shè)計(jì)，可提升其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度;正激式變換器則適用于中大功率場景，能夠提供更大的輸出電流，且輸出電壓紋波更小，通過采用同步整流技術(shù)，可將轉(zhuǎn)換效率提升至90%以上。此外，對于要求極高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的毫米波脈沖雷達(dá)應(yīng)用，非隔離式的buck-boost變換器也是一種重要選擇，其無需變壓器，功率密度更高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快，通過采用GaN基功率器件作為開關(guān)管，可進(jìn)一步降低開關(guān)損耗，提升電源系統(tǒng)的高頻性能。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需根據(jù)功率放大器的額定功率、輸入電壓范圍及動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，合理選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

(二)動(dòng)態(tài)供電與快速響應(yīng)技術(shù)

動(dòng)態(tài)供電技術(shù)是提升脈沖雷達(dá)電源系統(tǒng)性能的核心技術(shù)之一，其核心思想是根據(jù)功率放大器的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)整電源的輸出電壓和電流，以實(shí)現(xiàn)效率最大化和響應(yīng)快速化。一方面，采用自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)，通過檢測功率放大器的輸入信號幅度和脈沖占空比，動(dòng)態(tài)調(diào)整電源的輸出電壓，在保證輸出功率滿足要求的前提下，降低不必要的功耗。例如，當(dāng)雷達(dá)探測近距離目標(biāo)時(shí)，可降低功率放大器的供電電壓，減少輸出功率，同時(shí)顯著降低電源功耗;當(dāng)探測遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)，則提升供電電壓至額定值，保證足夠的探測距離。另一方面，優(yōu)化電源的控制策略，采用峰值電流控制模式替代傳統(tǒng)的電壓控制模式，峰值電流控制能夠快速響應(yīng)負(fù)載電流的變化，有效抑制電流突變導(dǎo)致的電壓波動(dòng)，提升電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。此外，在電源輸出端采用高頻低阻抗的陶瓷電容和鉭電容組成混合濾波網(wǎng)絡(luò)，可有效降低輸出紋波，同時(shí)為脈沖開啟瞬間提供快速的電流補(bǔ)充，進(jìn)一步提升電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

(三)電磁兼容性與熱管理設(shè)計(jì)

脈沖雷達(dá)工作在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，電源系統(tǒng)作為電磁干擾的主要來源之一，其電磁兼容性設(shè)計(jì)直接影響雷達(dá)系統(tǒng)的正常工作。為降低電源系統(tǒng)的電磁輻射，需采用屏蔽封裝技術(shù)，對電源模塊進(jìn)行金屬屏蔽，減少電磁泄漏;同時(shí)，優(yōu)化電路布局，將輸入、輸出電源線與控制信號線分開布置，避免串?dāng)_。在電路設(shè)計(jì)中，采用軟開關(guān)技術(shù)，如零電壓開關(guān)(ZVS)、零電流開關(guān)(ZCS)，可有效降低開關(guān)管的開關(guān)損耗，同時(shí)減少開關(guān)過程中產(chǎn)生的電磁干擾。此外，熱管理也是電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，GaN MMIC功率放大器和電源模塊在工作過程中都會(huì)產(chǎn)生大量熱量，熱量積累會(huì)導(dǎo)致器件性能下降甚至失效。通過采用高導(dǎo)熱系數(shù)的散熱材料，如鋁 nitride(AlN)陶瓷基板，提升散熱效率;同時(shí)，合理設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)，采用強(qiáng)制風(fēng)冷或液冷方式，確保電源模塊和功率放大器的工作溫度控制在安全范圍內(nèi)。

(四)完善的保護(hù)機(jī)制設(shè)計(jì)

為保障GaN MMIC功率放大器和電源系統(tǒng)的可靠工作，需設(shè)計(jì)完善的保護(hù)機(jī)制。首先，過壓保護(hù)電路，通過并聯(lián)瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)或壓敏電阻，吸收浪涌電壓，同時(shí)采用電壓檢測芯片實(shí)時(shí)監(jiān)測輸出電壓，當(dāng)電壓超過閾值時(shí)，快速切斷電源開關(guān)，避免過壓損壞功率放大器。其次，過流保護(hù)電路，采用電流采樣電阻或電流傳感器實(shí)時(shí)檢測輸出電流，當(dāng)電流超過額定值時(shí)，觸發(fā)保護(hù)機(jī)制，降低輸出電壓或切斷供電，防止功率放大器和電源模塊因過流燒毀。再次，反向極性保護(hù)電路，通過串聯(lián)二極管或MOS管，防止因電源正負(fù)極接反導(dǎo)致的器件損壞。最后，溫度保護(hù)電路，在電源模塊和功率放大器附近布置溫度傳感器，當(dāng)溫度超過設(shè)定閾值時(shí)，自動(dòng)降低電源輸出功率或停止供電，實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。

隨著脈沖雷達(dá)向小型化、輕量化、高集成度方向發(fā)展，GaN MMIC功率放大器的電源管理技術(shù)也將呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢：一是集成化，將電源管理電路與GaN MMIC功率放大器集成在同一芯片或模塊上，實(shí)現(xiàn)射頻-電源一體化設(shè)計(jì)，大幅減小體積和重量，提升系統(tǒng)集成度;二是智能化，引入數(shù)字控制技術(shù)，采用FPGA或MCU對電源系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，通過算法優(yōu)化動(dòng)態(tài)供電策略，實(shí)現(xiàn)電源參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，同時(shí)具備故障診斷和自修復(fù)功能;三是高效率化，采用更先進(jìn)的寬禁帶半導(dǎo)體材料(如GaN、SiC)構(gòu)建電源開關(guān)器件，進(jìn)一步降低開關(guān)損耗，提升電源轉(zhuǎn)換效率;四是高可靠性化，通過采用冗余設(shè)計(jì)、抗輻射設(shè)計(jì)等技術(shù)，提升電源系統(tǒng)在極端環(huán)境下的工作可靠性，滿足深空探測、高海拔等特殊應(yīng)用場景的需求。

GaN MMIC功率放大器的電源管理技術(shù)是影響脈沖雷達(dá)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一，其核心需求是快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定的輸出電壓、高效的功耗控制及可靠的保護(hù)機(jī)制。通過合理選擇電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、采用動(dòng)態(tài)供電與快速響應(yīng)技術(shù)、優(yōu)化電磁兼容性與熱管理設(shè)計(jì)及構(gòu)建完善的保護(hù)機(jī)制，能夠有效提升電源系統(tǒng)的性能，滿足GaN MMIC功率放大器的工作需求。未來，隨著集成化、智能化、高效率化技術(shù)的不斷發(fā)展，脈沖雷達(dá)用GaN MMIC功率放大器的電源管理系統(tǒng)將朝著更小體積、更高效率、更高可靠性的方向邁進(jìn)，為雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展提供有力支撐。