面向雷達(dá)的150 V級(jí)射頻GaN HEMT

鑒于大多數(shù)在UHF頻段運(yùn)行的高功率雷達(dá)系統(tǒng)的核心是行波管，而行波管體積大、易碎、其效率也只能在65％左右，因此，這些雷達(dá)系統(tǒng)有很大的改進(jìn)空間。用固態(tài)器件替換行波管可以提高系統(tǒng)效率和魯棒性，還可以實(shí)現(xiàn)許多改進(jìn)：可以引入低壓電源；可以采用靈活化模塊化的設(shè)計(jì)，從而更加易于維護(hù)；可以降低長(zhǎng)期系統(tǒng)成本。

盡管有幾種固態(tài)技術(shù)能夠在微波區(qū)域內(nèi)提供輸出，但大多數(shù)并不適合在高功率雷達(dá)中應(yīng)用。硅器件，例如雙極型晶體管（BJT）以及垂直和橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），已經(jīng)在VHF到S波段的多種雷達(dá)中得到應(yīng)用，然而其輸出功率能力有限。與此同時(shí)，也有試圖通過(guò)采用SiC靜態(tài)感應(yīng)晶體管占據(jù)市場(chǎng)份額的做法，鑒于在450 MHz頻率下，SiC靜態(tài)感應(yīng)晶體管的增益不足10 dB、效率僅為50％，這一方法也不可行。

另外一種具有廣闊前景的技術(shù)則是基于GaN的HEMT。一般來(lái)說(shuō)，此類器件的發(fā)射功率受制于其工作電壓，通常是50 V級(jí)或更低的S波段GaN HEMT。但是，得益于先進(jìn)的漏極工程技術(shù)，該種器件工作電壓可達(dá)150V，極大地改善了其輸出特性。

通過(guò)測(cè)量輸出功率隨偏置電壓的增長(zhǎng)，通過(guò)把工作頻率設(shè)為430 MHz，脈寬為100μs，占空比為10％，發(fā)現(xiàn)在75 V、100 V、125 V和150 V的工作條件下會(huì)分別產(chǎn)生150 W、250 W、 350 W和450 W的飽和輸出功率（見圖1）。

圖1：15 mm高壓GaN晶體管的飽和輸出功率和終端負(fù)載阻抗。右側(cè)是晶體管為實(shí)現(xiàn)最佳匹配所需的相應(yīng)的負(fù)載阻抗。150V時(shí)，450W器件的負(fù)載阻抗為25歐姆，很容易匹配到50歐姆。這種中等大小的晶體管具有60個(gè)柵極梳指（finger）陣列，每個(gè)finger的長(zhǎng)度為250mm。該裸片（die）的尺寸為3.9mm×1.0mm，經(jīng)過(guò)優(yōu)化可以提供穩(wěn)定和可靠的工作性能。

特別令人高興地是，增加的25 V偏置電壓不僅能夠?qū)柡洼敵龉β侍岣?00W，它們還能夠增加負(fù)載阻抗，從而使其更接近向50歐姆負(fù)載（例如天線）提供最大輸出功率所需的阻抗大小。

請(qǐng)注意，所有射頻功率晶體管的負(fù)載阻抗（無(wú)論它們由何種材料制成）都相對(duì)較低。通過(guò)增加?xùn)艠O外圍可以增加輸出功率，但卻付出了較低負(fù)載阻抗的代價(jià)。數(shù)值越小，將其匹配至50歐姆所需的阻抗轉(zhuǎn)換就越大——輸出損耗和效率降低也就越大。

這引出了一個(gè)問(wèn)題：較高的工作電壓會(huì)產(chǎn)生既可以產(chǎn)生較高的輸出功率，又可以提供較高的負(fù)載阻抗，為什么這種方法在行業(yè)內(nèi)并不通行？

答案是，要在更高的電壓下工作，晶體管必須承受更高的擊穿電壓。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，并且避免產(chǎn)生嚴(yán)重的故障，必須擴(kuò)大器件的漂移區(qū)域。這是高壓射頻晶體管最關(guān)鍵的區(qū)域，因此這種修改（在業(yè)界被稱為漏極工程）頗具挑戰(zhàn)，必須格外小心。

15 mm 150 V 級(jí)GaN晶體管，沒有內(nèi)部輸出匹配，有一個(gè)LCL輸入匹配。因?yàn)椴皇褂脙?nèi)部輸出匹配，所以可以在器件封裝外部調(diào)整最佳基波和諧波阻抗。

即便是最佳的漏極設(shè)計(jì)，也會(huì)增加晶體管的導(dǎo)通電阻，進(jìn)而導(dǎo)致更高的損耗，雷達(dá)效率也隨之降低。但是，通過(guò)最新的漏極工程和現(xiàn)場(chǎng)制版技術(shù)，可以將這種效率損耗降到最低。這兩者的結(jié)合一方面能夠產(chǎn)生高擊穿電壓，另一方面可以將對(duì)導(dǎo)通電阻的影響降至最低。

與硅工藝相比，使用AlGaN / GaN HEMT工藝可以提供更多的選擇。例如LDMOS, 可以在增加擊穿電壓的同時(shí)將對(duì)導(dǎo)通電阻的影響降到最小。 已經(jīng)采取的一種方法是通過(guò)在緩沖層中添加鐵來(lái)增加擊穿電壓——少量摻入鋁也會(huì)產(chǎn)生類似的效果。

不論是采用這些方法中的任何一種，關(guān)鍵是不要過(guò)于激進(jìn)以至于影響器件的可靠性。如果鋁或鐵的添加不當(dāng)，在直流測(cè)試狀態(tài)下，器件的導(dǎo)通電阻可能不高，但在射頻工作狀態(tài)下，其導(dǎo)通電阻會(huì)顯著升高。在GaN器件中，這一過(guò)程稱為直流-射頻色散，對(duì)射頻器件的性能非常不利。

在75 ~150 V的電壓范圍內(nèi)，器件效率超過(guò)70％。其中，在100 V時(shí)，效率可達(dá)78％（詳細(xì)信息見圖2）。在100V時(shí)效率最高的原因是： 使用的測(cè)試夾具曾用于其它項(xiàng)目，該項(xiàng)目使用了諧波調(diào)制技術(shù)來(lái)優(yōu)化其100 V偏置時(shí)的功率。重新調(diào)整測(cè)試夾具的諧波阻抗可使器件效率在150 V時(shí)接近80％。因?yàn)橐呀?jīng)成功應(yīng)用于75 V級(jí)器件，這一調(diào)整的效果是可以保證的。

圖2：15 mm高壓GaN晶體管在飽和輸出功率下的漏極效率。此效率是根據(jù)1 ms周期內(nèi)100μs脈寬（或10％占空比）的平均電流計(jì)算得出的。在雷達(dá)操作中，一般在脈沖關(guān)閉時(shí)通過(guò)柵極電路關(guān)閉器件。這一過(guò)程能夠?qū)⑸厦嫣岬降男手堤岣咂骄?個(gè)百分點(diǎn)。

作為一種雷達(dá)常用的工作模式，柵極脈沖可以進(jìn)一步提高平均5個(gè)百分點(diǎn)的效率增益。這樣一來(lái)， 450W級(jí)器件的效率也得以提升，該類器件的柵極外圍僅15 mm，在150 V時(shí)效率超過(guò)80％。在這種工作方式下，器件增益遠(yuǎn)高于22 dB，表明了 150 V級(jí)GaN技術(shù)在較高的UHF頻率以及L波段具備良好的性能，可用于脈沖雷達(dá)。

相比之下，以相同頻率工作的SiC靜電感應(yīng)晶體管僅產(chǎn)生10 dB的增益，并且難以實(shí)現(xiàn)50％的漏極效率。較低的增益會(huì)帶來(lái)不良后果：需要一個(gè)額外的晶體管來(lái)驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)，從而導(dǎo)致電路占用空間更大，系統(tǒng)級(jí)的效率也會(huì)變低。

實(shí)現(xiàn)脈沖雷達(dá)等應(yīng)用所需的更高功率的途徑是增加?xùn)艠O外圍的尺寸。鑒于高初始阻抗，降低該阻抗不會(huì)有任何重大缺陷。（請(qǐng)注意， 已經(jīng)具有較大的柵極外圍器件的經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)樵诙嘈酒庋b中使用了更傳統(tǒng)的具有36mm柵極外圍的50 V GaN晶體管，產(chǎn)生了1kW的S波段輸出功率。在L波段， 還使用較大的芯片，其柵極外圍為50mm。）

如果將150 V器件的柵極外圍從15 mm增加到40 mm，這將變成一個(gè)可以提供超過(guò)1 kW飽和輸出功率單芯片器件。盡管負(fù)載阻抗會(huì)成比例減小，但仍略高于11歐姆，從阻抗匹配的角度來(lái)看這是非常易于管理的。此外，還有機(jī)會(huì)在單端陶瓷封裝中形成一個(gè)4 kW的四芯片器件，其輸出負(fù)載阻抗約為3歐；在雙引線封裝中形成6 kW的六芯片器件，其負(fù)載阻抗約為2歐。

除了考慮這些器件的阻抗（從阻抗匹配的角度來(lái)看，這些功率電平?jīng)]有問(wèn)題）， 還必須考慮與溫度相關(guān)的問(wèn)題。根據(jù) 的模型，對(duì)于以100μs脈沖和10％占空比驅(qū)動(dòng)的15 mm器件，在26°C的外殼溫度下熱阻為0.5°C / W（在CW操作中為2°C / W，不推薦使用）。

當(dāng)以80％的效率工作并產(chǎn)生1 kW的輸出時(shí)，提供給裸片的DC功率為1.25 kW，因此耗散為250W。這將導(dǎo)致在100μs脈沖時(shí)出現(xiàn)150°C的峰值結(jié)溫，這一溫度是在可靠工作范圍內(nèi)的。實(shí)際溫度將低于此溫度，因?yàn)閷?duì)于1kW的裸片設(shè)計(jì)，必須延長(zhǎng)finger的長(zhǎng)度，而這一調(diào)整會(huì)降低熱阻。

免責(zé)聲明：本文內(nèi)容由21ic獲得授權(quán)后發(fā)布，版權(quán)歸原作者所有，本平臺(tái)僅提供信息存儲(chǔ)服務(wù)。文章僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，不代表本平臺(tái)立場(chǎng)，如有問(wèn)題，請(qǐng)聯(lián)系我們，謝謝！