X/Ku波段寬帶GaN微波固態(tài)功放技術(shù)研究

於 昭，司國梁，吳 迪，葛愛慧

( 中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007 )

X/Ku波段寬帶GaN微波固態(tài)功放技術(shù)研究

於 昭，司國梁，吳 迪，葛愛慧

( 中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007 )

GaN作為新一代半導(dǎo)體材料具有寬禁帶、高擊穿場強(qiáng)、高飽和電子漂移速率以及抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)成為近幾年來的研究熱點(diǎn)，隨著GaN功率管性能的不斷提高，以GaN為基礎(chǔ)的微波功率器件的應(yīng)用取得了很大的進(jìn)步。根據(jù)電子對抗領(lǐng)域微波固態(tài)功放的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一款基于GaN功率器件的X/Ku波段20W寬帶固態(tài)功放，并給出了測試結(jié)果。

電子對抗領(lǐng)域；微波固態(tài)功放；GaN功率器件

0 引言

微波固態(tài)功放相對于真空管放大器具有可靠性高、壽命長、工作電壓低、故障軟化等特點(diǎn)，因此在雷達(dá)、通信、電子對抗等領(lǐng)域中有著非常廣泛的應(yīng)用，其性能指標(biāo)直接制約著整個(gè)系統(tǒng)的性能和技術(shù)水平。隨著技術(shù)的發(fā)展尤其是現(xiàn)代電子戰(zhàn)系統(tǒng)的迫切需求，原先基于GaAs材料的功率器件已經(jīng)無法滿足對更高頻率、更高功率的追求，這就需要新的材料來突破這個(gè)瓶頸。GaN作為第三代半導(dǎo)體材料具有寬禁帶半導(dǎo)體特性、高擊穿場強(qiáng)、高飽和電子漂移速率以及抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其微波功率性能遠(yuǎn)優(yōu)于Si、GaAs等傳統(tǒng)材料，特別適合制作應(yīng)用于高頻、高功率、抗輻射等環(huán)境的功率器件，并且可以在高溫惡劣環(huán)境下工作，這就為現(xiàn)代電子戰(zhàn)的應(yīng)用提供了很好的基礎(chǔ)。在半導(dǎo)體材料、器件性能不斷發(fā)展和改善的同時(shí)，微波技術(shù)方面的研究也在不斷創(chuàng)新，各種新的微波技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，很好地和器件的發(fā)展同步進(jìn)行，使得微波固態(tài)功放的性能發(fā)生了質(zhì)的飛躍，滿足了通信及軍事越來越高的需求。

本文根據(jù)電子對抗領(lǐng)域微波固態(tài)功放的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一款基于GaN功率器件的X/Ku波段寬帶固態(tài)功放。

1 電子對抗領(lǐng)域微波固態(tài)功放特點(diǎn)

微波固態(tài)功放的應(yīng)用面很廣泛，但每個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域各自的側(cè)重點(diǎn)不同因而對微波功放的要求也不一樣。在電子對抗領(lǐng)域中微波固態(tài)功放有著與眾不同的特點(diǎn)，尤其是受機(jī)/彈載平臺及體積尺寸的約制使得微波固態(tài)功放實(shí)現(xiàn)難度更大。

1)指標(biāo)特點(diǎn)

微波固態(tài)功放常見的技術(shù)指標(biāo)有：工作頻帶、輸出功率、增益及平坦度、輸入輸出駐波比、效率(功耗)等。

工作頻帶寬度是微波功率放大器的一個(gè)非常重要的技術(shù)指標(biāo)，頻帶在倍頻程以上的放大器，通常稱為寬帶功率放大器，頻帶為幾個(gè)倍頻程時(shí)稱為超寬帶放大器，有時(shí)25%、50%的頻帶也稱為寬頻帶功放。一般通信、雷達(dá)用的功率放大器工作頻帶都比較窄，但作為電子對抗領(lǐng)域用的功放工作帶寬往往都很寬，無論是地空彈還是空空彈、或巡航導(dǎo)彈在飛行過程中會收到來自地面、空中或其它方面雷達(dá)的威脅，這些雷達(dá)工作頻率有S波段、C波段或X/Ku波段等，因此要求彈上的干擾系統(tǒng)必須具備寬帶突防能力，也就是干擾系統(tǒng)的工作頻帶覆蓋會比較寬超出一個(gè)倍頻程以上，這樣對于功放的工作頻帶要求就會提高，而超寬帶的工作頻率是功放比較難的指標(biāo)之一。

此外，對于電子干擾系統(tǒng)，輻射功率越大對敵方的干擾效果越好，因此在可能的情況下，電子對抗領(lǐng)域用的功放輸出功率越大越好。

2)功能特點(diǎn)

微波固態(tài)功放用的功率器件是柵控器件，必須給予合適的柵壓(負(fù)壓)進(jìn)行工作，但由于功率器件的工作電流(漏極電流)很大，如果因?yàn)檎{(diào)試疏忽或其它原因?qū)е聳艍何醇訒尮β势骷谒查g被燒毀，因此電路設(shè)計(jì)中必須有負(fù)壓保護(hù)電路以保證負(fù)壓沒有加上時(shí)功率管的漏極無電流；功率器件的功耗大，一部分能量轉(zhuǎn)換為熱量，所以微波功率放大器既要進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)還要有過溫保護(hù)措施，避免放大器因熱量散不出去導(dǎo)致熱燒毀；電子干擾系統(tǒng)的工作狀態(tài)有偵察接收段和干擾發(fā)射段，需要功放有快速通斷電響應(yīng)功能；干擾模式的不同還會要求功放輸出功率幅度、相位等隨之變化，因此在電子對抗領(lǐng)域的功放其工作模式既不是簡單的連續(xù)波工作方式、也不是單一的脈沖波工作方式，它必須能夠適應(yīng)復(fù)雜脈沖環(huán)境工作要求。

3)小型化特點(diǎn)

電子對抗領(lǐng)域多為機(jī)/彈載平臺，因而對體積和質(zhì)量要求比較苛刻，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則就是小型化。在整機(jī)結(jié)構(gòu)小型化后，由于器件密度增加空間縮小會給散熱造成一定困難，尤其對作為主要發(fā)射源的功放來說是個(gè)制約，因此需求尋求高性能高效率的材料和器件來制作功放，GaN作為新型的半導(dǎo)體材料較好地滿足了該需求。

4)特殊設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(a)穩(wěn)定性要求

微波固態(tài)功放的穩(wěn)定性問題非常重要，是保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行的必要條件。穩(wěn)定性不僅僅考慮功放自身工作的穩(wěn)定可靠，還必須考慮放入系統(tǒng)中與其它電路或設(shè)備匹配后能夠穩(wěn)定工作，特別是與寬帶天線的連接，往往因駐波不夠理想導(dǎo)致功放自激，因此穩(wěn)定性設(shè)計(jì)尤為重要。

(b)散熱要求

機(jī)/彈載干擾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小型化后，由于器件尤其是發(fā)熱器件密度增加、空間縮小等因素會給散熱造成很大的困難。功放具體的散熱設(shè)計(jì)要針對彈載平臺不同的工作狀態(tài)采取不同的方法和措施。對于飛行時(shí)間較短的彈載平臺(如中、短程彈道導(dǎo)彈)，搭載的干擾系統(tǒng)工作時(shí)間一般也很短，只有幾分鐘或幾十秒，這時(shí)的散熱基本靠設(shè)備自身吸收，因此要求設(shè)備有一定的熱沉材料，能夠保證短時(shí)間吸收設(shè)備內(nèi)部所傳導(dǎo)的熱量。對于飛行時(shí)間較長的彈載平臺，搭載的干擾系統(tǒng)工作時(shí)間也很長，幾十分鐘或更長，這時(shí)的散熱措施是多方面的?？傊瑱C(jī)/彈載平臺因小型化使得散熱設(shè)計(jì)增加了很多難度。

(c)高可靠性要求

機(jī)/彈載產(chǎn)品的可靠性要求比較高，這就決定了必須把功放的可靠性放在首位。

2 電子對抗領(lǐng)域微波固態(tài)功放設(shè)計(jì)舉例

下面是應(yīng)用于電子對抗系統(tǒng)某彈載型號X/Ku波段寬帶20W GaN功放設(shè)計(jì)舉例。

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

工作頻率: X/Ku波段；

輸入功率: 0dBm；

飽和輸出: ≥20W；

輸入輸出駐波：≤2.0；

通斷電響應(yīng)時(shí)間(包含脈沖上下沿與延時(shí))：≤200ns；

供電：+28V、-12V；

工作溫度：-40℃～+65℃；

應(yīng)用平臺：彈載。

2.2 電路設(shè)計(jì)

1)設(shè)計(jì)方案

該固態(tài)功放設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。第一和第二級放大器為功放的驅(qū)動級放大器，給末級功率放大器提供足夠的增益和一定的驅(qū)動功率；末級放大器采用兩個(gè)功率模塊合成輸出，其中每個(gè)模塊包含了兩個(gè)GaN芯片。由于電子對抗領(lǐng)域微波固態(tài)功放的特殊性，因此在設(shè)計(jì)時(shí)除常規(guī)設(shè)計(jì)考慮外對于末級器件的選擇、寬帶功率合成設(shè)計(jì)、電源偏置電路設(shè)計(jì)、幅相一致性考慮、駐波控制及散熱設(shè)計(jì)等方面必須進(jìn)行嚴(yán)格、合理的把控才能確保產(chǎn)品在彈載環(huán)境中穩(wěn)定可靠工作。

2)末級GaN功率器件的選擇

選擇合適的器件是微波功放設(shè)計(jì)的第一個(gè)重要環(huán)節(jié)，尤其是作為彈載平臺的固態(tài)功放，體積尺寸有很大的限制，因而選擇效率高、穩(wěn)定性高的GaN器件是目前比較好的途徑。該功放末級功率管選用中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所生產(chǎn)的GaN功率芯片NC11669C-618P10。

NC11669C-618P10主要器件參數(shù)：頻率范圍：6.0～18.0GHz；功率增益：16dB；飽和輸出功率：40dBm；附加效率：20%。

3)超寬帶功率合成設(shè)計(jì)

由于單芯片出很難達(dá)到20W的設(shè)計(jì)要求，因此采用了四芯片合成的方式，這樣一來功率合成器的設(shè)計(jì)是一個(gè)很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，必須滿足寬帶、低損耗、兩路相位一致等特點(diǎn)，這樣可以減少能量的損失提高合成效率。功率合成設(shè)計(jì)按照分配與合成的方式分為平面電路型與空間型兩類，主要有四種功率合成方案組合，即電路分配-電路合成、電路分配-空間合成、空間分配-電路合成、空間分配-空間合成。常用的寬帶平面電路合成元件有l(wèi)ange橋、Wilkinson合成器、鏈?zhǔn)焦β屎铣善?串饋網(wǎng)絡(luò))等。本電路設(shè)計(jì)根據(jù)超寬帶特點(diǎn)及兼顧插損、相位等因素而采用lange橋合成器進(jìn)行合成。

4)電源偏置電路設(shè)計(jì)

電源偏置電路的合理設(shè)計(jì)是保證功放模塊可靠性的關(guān)鍵。功率模塊的漏極靜態(tài)電流(Iq)是由柵極負(fù)壓(Vg)的大小決定的，突破柵極夾斷電壓后，漏極靜態(tài)電流與柵極電壓的絕對值成反比關(guān)系。在使用GaN MMIC功率器件時(shí)，必須嚴(yán)格按照柵極與漏極的加電順序，即在柵極電壓已正常的情況下，再進(jìn)行漏極電壓饋電，去電時(shí)應(yīng)先退去漏極正電，再退去柵極負(fù)壓，為防止顛倒加電順序，設(shè)計(jì)中應(yīng)添加正負(fù)電保護(hù)電路；此外如果對柵極供電如果采用電阻分壓的方式直接供，會隨著工作時(shí)間與環(huán)境溫度的變化，引起漏極靜態(tài)電流隨之變化，繼而功率芯片的工作狀態(tài)也隨之變化。因此為了降低這種影響，電路設(shè)計(jì)采用了溫度補(bǔ)償電路的方式給柵極供電，保證了電路的穩(wěn)定性。

5)超寬帶功放的幅相一致性與駐波控制

超寬帶功放一般都具有增益與輸出功率在高低頻段不一致的問題，多級推動的超寬帶功放模塊某一些頻率點(diǎn)會產(chǎn)生飽和壓縮的情況，影響幅相一致性；此外功放芯片的輸出駐波差，影響功率增益，尤其在寬帶范圍內(nèi)，造成輸出功率與增益高低不平。因此電路設(shè)計(jì)考慮在驅(qū)動級功放前后添加均衡器調(diào)整輸出功率幅度、添加衰減器改善輸入輸出駐波、采用lange橋來合成末級功放芯片(因lange橋具有寬帶范圍內(nèi)幅度一致性好、駐波好的特點(diǎn))等方法改善幅相一致性與駐波。

6)熱設(shè)計(jì)仿真

彈載平臺的功放由于體積尺寸的限制使得功放的熱設(shè)計(jì)非常重要。熱設(shè)計(jì)的目的是通過各種措施將產(chǎn)品所有的元器件產(chǎn)生的熱功率有效地傳導(dǎo)出盒體，使元器件能夠工作在正常的溫度范圍內(nèi)，產(chǎn)品內(nèi)部的溫度差減到最小。本功放電路的熱設(shè)計(jì)需綜合考慮元器件的選擇、元器件及電路布局、元器件的安裝、散熱路徑、印制板及盒體的熱設(shè)計(jì)等多方面因素，通過對產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)消除產(chǎn)品質(zhì)量隱患，提高產(chǎn)品的可靠性。

功放模塊內(nèi)包含了四個(gè)功放芯片以及驅(qū)動芯片，工作電壓為28V，工作電流12A，熱耗高達(dá)300W。在+65℃高溫環(huán)境下，工作10min之后的狀態(tài)如圖2所示，其模塊殼溫已經(jīng)達(dá)到100℃。在彈載電子對抗系統(tǒng)中功放模塊的工作時(shí)間比較短，這樣的熱狀態(tài)已經(jīng)滿足使用要求。但對于地面設(shè)備以及處于測試試驗(yàn)狀態(tài)中的功放模塊，為保證其能長期穩(wěn)定工作，應(yīng)當(dāng)添加散熱基板與風(fēng)扇，將達(dá)到熱平衡之后的殼溫控制在85℃以下。

2.3 測試結(jié)果

功放的測試系統(tǒng)框圖及輸出功率測試曲線如圖3～4所示?？梢钥闯?，該功放全面滿足技術(shù)指標(biāo)。

3 結(jié)束語

微波固態(tài)功放技術(shù)在電子對抗領(lǐng)域中的應(yīng)用是一個(gè)內(nèi)容豐富、影響深遠(yuǎn)的研究課題，需要微波工程師在工程應(yīng)用中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、不斷關(guān)注新材料新技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢、不斷更新自己的知識結(jié)構(gòu)，只要這樣才能順應(yīng)發(fā)展潮流?！?/p>

[1] Andrei Grebennikov.射頻與微波功率放大器設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[2] Milligan JW,Sheppard S,Pribble W,et al.SiC and GaN wide bandgap device technology overview[J].IEEE Radar Conference,2007：65-71.

[3] 蔡樹軍.寬禁帶半導(dǎo)體研究現(xiàn)狀于發(fā)展趨勢[C].第十五屆全國化合物半導(dǎo)體、微波器件和光電器件學(xué)術(shù)會議,2008：509-512.

[4] 汪灝.基于GaN寬帶管芯的X波段功放設(shè)計(jì)[J].火控雷達(dá),2012(1)：59-62.

The technical research of X/Ku band broadband GaN microwave solid-state power amplifier

Yu Zhao,Si Guoliang,Wu Di,Ge Aihui

(No.8511 Research Institute of CASIC,Nanjing 210007,Jiangsu,China)

As a new generation of semiconductor materials, the GaN become a hot topic in recent years, whose advantages are wide bandgap, high breakdown voltage, high saturated electron drift velocity, and strong ability to resist radiation. With the increasing performance of the GaN power device, the application of the GaN microwave solid-state power device has made great progress. Based on the characteristics of microwave solid-state power amplifier in the field of electronic countermeasures, a X/Ku band broadband GaN 20W solid-state power amplifier is designed, and the test results are given.

the field of electronic countermeasures;microwave solid-state power amplifier;GaN power device

2017-01-06;2017-02-26修回。

於昭(1985-)，男， 工程師，碩士，主要研究方向?yàn)槲⒉ü虘B(tài)功放設(shè)計(jì)。

TN975

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