基于GaN HEMTs的S波段大功率固態(tài)功放組件設(shè)計

彭恩超，張 瑞

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088；2.安徽省天線與微波工程實驗室，合肥 230088)

0 引 言

相比于真空管發(fā)射機，固態(tài)發(fā)射機因其具有工作電壓低、可靠性高、維修性好、全壽命周期費用低和機動性好等優(yōu)點，使其在地面、車載、艦載、機載和星載等雷達領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。在S波段雷達領(lǐng)域，基于Si BJT和GaAs功率器件的固態(tài)功放組件技術(shù)近年來得到快速的發(fā)展[2-3]。但是，Si管在高頻下較低的電子遷移率使之效率難以提高，GaAs晶體管功率容量低，這些基于材料特性所限的性能缺陷限制了Si管和GaAs功率管在高頻大功率發(fā)射領(lǐng)域的進一步發(fā)展。相比于Si和GaAs，GaN寬禁帶半導體材料具有更大的禁帶寬度、更高的飽和電子漂移速度和更高的擊穿電場強度等顯著優(yōu)點，這使得GaN HEMT可實現(xiàn)更大功率輸出、更寬工作帶寬和更高工作效率以及更強的抗輻射能力，特別適合固態(tài)微波大功率應(yīng)用。國際上Kwack等人在2011年研制成功基于GaN HEMTs的S波段固態(tài)功放組件，組件在400 MHz的帶寬內(nèi)實現(xiàn)55 dB的增益、1 kW的峰值功率輸出和34 %的功率附加效率[4]。近年來隨著材料質(zhì)量和器件工藝水平的不斷提高，國產(chǎn)GaN HEMT功率器件的可靠性得到大幅的提升，加速壽命試驗推導出S波段GaN HEMT在90°C殼溫條件下其平均失效時間(MTTF)可達2.97×106h[5]，其可靠性水平使得GaN HEMT在高頻大功率發(fā)射領(lǐng)域的工程化應(yīng)用成為現(xiàn)實。

現(xiàn)代雷達對系統(tǒng)的可靠性、維修性和智能化提出了越來越高的要求。可靠性設(shè)計除了采用降額設(shè)計、簡化設(shè)計、采用高可靠性元器件等方法外，還必須考慮采用冗余設(shè)計方案，以防止雷達系統(tǒng)中某個分系統(tǒng)故障或失效時引起雷達系統(tǒng)整機無法正常工作[6]；維修性設(shè)計則要求雷達整機具有完善的BIT狀態(tài)覆蓋；智能化設(shè)計則面向無人值守雷達健康管理的需求。健康管理是指利用雷達BIT的測試數(shù)據(jù)、故障診斷結(jié)果、維修資源信息以及其他相關(guān)信息，對雷達系統(tǒng)的健康狀態(tài)和執(zhí)行任務(wù)的能力進行實時分析評估，并根據(jù)分析評估結(jié)果自動進行維修決策，以實現(xiàn)雷達全壽命周期維修保障的自主化和智能化[7]。

本文以高可靠性雷達系統(tǒng)為應(yīng)用背景，以國產(chǎn)GaN功率管為基礎(chǔ)研制了S波段1.6 kW固態(tài)功放組件。組件設(shè)計中以高可靠性為原則，并結(jié)合實時參數(shù)化的數(shù)字采樣技術(shù)和激勵/控制的雙通道冗余設(shè)計技術(shù)，適應(yīng)高可靠雷達系統(tǒng)健康管理的要求。

1 組件技術(shù)指標分析

經(jīng)過上級技術(shù)分解，本功放組件的主要技術(shù)指標如表1。

表1 功放組件主要技術(shù)指標

根據(jù)指標要求，該功放組件在S波段輸出峰值功率大(全溫不小于1.6 kW)，效率較高(全溫不小于40%)。若采用Si功率器件則效率難以達到指標要求；若采用GaAs功率器件，考慮到單管輸出功率較小需要較多的器件來合成，增加了鏈路的復(fù)雜度，從而提高了整個組件的失效率。如前面所述，由于GaN功率器件在高頻大功率固態(tài)發(fā)射領(lǐng)域有著巨大優(yōu)勢，而且國產(chǎn)GaN器件的可靠性不斷走向成熟，我們選用GaN功率管為組件功率放大的基本元件。目前國產(chǎn)GaN HEMT功率器件在S波段性能為：長脈寬單管輸出功率350 W以上，效率達到60%以上。適當降額后，我們采用8只300 W的GaN單管進行功率合成，不難實現(xiàn)組件功率和效率指標。

針對系統(tǒng)要求的功率和溫度檢測，我們在組件BITE設(shè)計中采用數(shù)字采樣技術(shù)來實現(xiàn)。關(guān)于可靠性設(shè)計從兩個方面展開：一方面從提高組件自身的可靠性出發(fā)，采取關(guān)鍵元器件降額使用、電路抗干擾設(shè)計等措施；另一方面對組件的激勵/控制通道和接口進行冗余設(shè)計，以適應(yīng)雷達系統(tǒng)的可靠性冗余設(shè)計。下一節(jié)將分別從組件的微波鏈路設(shè)計、熱設(shè)計、BITE設(shè)計、電源和儲能設(shè)計等方面展開詳細的討論。

2 組件設(shè)計

2.1 微波鏈路設(shè)計

功放組件將10 dBmW的微波小信號放大到1.6 kW(62.3 dBmW)的微波大信號，發(fā)射鏈路增益達到52 dB以上，設(shè)計不合理極易引起組件內(nèi)部自激、震蕩。因此合理的鏈路增益設(shè)計和組件拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要。本組件發(fā)射鏈路及增益分配如圖1所示，激勵信號先通過前驅(qū)功放模塊放大輸出15 W的信號，增益32 dB；再經(jīng)過驅(qū)動功放模塊放大輸出200 W的信號，增益為12 dB；然后一分四功分器將200 W功率分成等幅同相的四路信號分別進入四個發(fā)射通道，每個發(fā)射通道經(jīng)過末級雙管功放模塊(單管輸出300 W，增益12 dB)合成輸出不小于500 W的微波信號，最后四路通道信號通過四合一功率合成器合成輸出不小于1.6 kW的峰值功率。

圖1 微波鏈路原理圖

組件的鏈路拓撲采用一推一推八的架構(gòu)，末級功放模塊由于輸出功率大、數(shù)量多成為發(fā)射鏈路設(shè)計的關(guān)鍵。結(jié)合組件內(nèi)部四通道的具體布局，采用四個末級功放模塊，單個模塊采用二入二出的雙管形式，如圖2所示。該模塊采用兩個內(nèi)匹配的國產(chǎn)GaN功率管，單管輸出峰值功率大約300 W，增益不小于12 dB，功率附加效率超過60 %。為防止整個鏈路的自激，器件工作于C類以抑制小信號增益。為了消除雷達工作時發(fā)射通道對接收通道的干擾，模塊上集成電源調(diào)制電路，通過與射頻脈沖同步的門套信號來控制功率管漏極電壓的開啟和關(guān)閉，切斷脈間工作電壓，在接收狀態(tài)時使器件停止工作。由于GaN HEMT是耗盡型器件，其柵極必須工作在負壓條件下，因而對器件的加電順序提出了嚴格的要求，器件加電時必須先加柵極電壓后加漏極電壓，關(guān)電時必須先關(guān)漏極電壓后關(guān)柵極電壓，否則會導致器件的損壞。因此模塊上集成了負壓保護電路。末級功放模塊實物圖如圖2所示。

圖2 末級功放模塊實物圖

同樣，驅(qū)動功放模塊和前驅(qū)功放模塊的設(shè)計思路與末級功放模塊的設(shè)計思路相同，在此不再贅述。值得一提的是，前驅(qū)功放模塊內(nèi)部亦采用多級放大鏈路，增益高達32 dB，而且輸入信號為功率為10 dBmW的微波小信號，容易受到后面兩級大功率微波信號的空間輻射干擾，從而影響整個組件的穩(wěn)定可靠輸出。因此我們將前驅(qū)模塊整體設(shè)計成帶蓋板的獨立盒體，內(nèi)部進行分腔設(shè)計，消除自激，提高其抗干擾能力。

為了避免負載牽引效應(yīng)導致功率管輸入輸出匹配電路的相互影響，在每一級功放模塊后面都加一隔離器保證功率管穩(wěn)定工作。組件的一分四功分器采用Gysel型功分器，該功分器適合于高頻率高功率場合[8]。四合一合成器采用空氣板線傳輸形式，其腔體與組件殼體一體化設(shè)計，該合成器具有損耗低、合成效率高、一致性好、承受功率容量大等特點，實現(xiàn)了組件穩(wěn)定性和高功率輸出。

2.2 組件散熱設(shè)計

散熱設(shè)計是功放組件設(shè)計的關(guān)鍵一環(huán)。本組件安裝在天線陣面，采用室外強迫風冷進行散熱，因此功放組件通過在背面設(shè)計翅片形散熱器來實現(xiàn)散熱，達到冷卻的目的?？紤]室外最惡劣工況為50 ℃高溫環(huán)境，本組件按照室外50 ℃環(huán)境條件開展熱設(shè)計。

末級功率管是最主要的散熱單元，因此功放模塊的散熱設(shè)計尤為重要。根據(jù)功率管工作參數(shù)：單管峰值輸出功率300 W，占空比15%，效率60%，可計算出單管平均熱耗為30 W。功率管的法蘭尺寸為24 mm×17.4 mm×1.4 mm。為了盡可能減小功率管到組件殼體的熱阻，功放模塊的底板采用散熱優(yōu)良的銅板，功率管通過焊接的方式安裝于底板上。另外，模塊底板和組件殼體之間通過墊銦箔進一步降低熱阻同時保持模塊的良好接地特性。通過仿真優(yōu)化得到散熱翅片尺寸為：高度45 mm、厚度1.5 mm、間距6.5 mm，翅片面積為460 mm×320 mm。組件內(nèi)部發(fā)熱元件溫度分布圖如圖3所示，組件內(nèi)功率管殼溫的最高溫度為70.7 ℃。根據(jù)公式

θj=θc+Rth×Pr

(1)

其中θj為功率管的結(jié)溫，θc為功率管的殼溫，Pr為單管平均熱耗，Rth為管芯到管殼的熱阻，廠家提供的數(shù)值為0.5 ℃/W，通過計算，組件內(nèi)功率管最高結(jié)溫為85.7 ℃，滿足國軍標對功率管的Ⅰ級降額使用要求。

圖3 功放組件發(fā)熱元件的溫度分布云圖

2.3 組件BITE設(shè)計

為滿足高可靠性雷達系統(tǒng)對發(fā)射功放組件的要求，組件在性能上不僅要實現(xiàn)高可靠，而且要達到“智能化”：即組件不僅能夠?qū)崟r自動獲取內(nèi)部全面的工作狀態(tài)信息并向上級報送，并且能夠?qū)收献詣硬扇】刂拼胧?，滿足系統(tǒng)健康管理的要求。因此組件必須具備完善的BITE設(shè)計，BITE的原理框圖如圖4所示。

圖4 BITE原理框圖

組件工作于脈沖模式，BITE通過組件控制接口接收上級監(jiān)控送來的422門套信號，轉(zhuǎn)發(fā)送出6路TTL門套到組件內(nèi)部各級功放模塊，通過功放模塊上的調(diào)制電路實現(xiàn)功率管射頻輸出信號的開關(guān)和調(diào)制。

BITE能對組件內(nèi)部熱點位置的溫度進行數(shù)字化檢測。組件的溫度傳感器放置在末級功率管法蘭附近并采集溫度值以12位數(shù)字碼的形式傳給BITE，BITE再將數(shù)字碼向外報送出。當溫度采樣值超過75 ℃時BITE報過溫故障，并禁止門套輸出，從而關(guān)斷射頻輸出以保護組件內(nèi)部器件。

BITE能夠?qū)M件的微波輸入功率、輸出功率以及反射功率進行數(shù)字化檢測。組件先通過耦合器采集微波輸入信號、輸出信號和反射信號，然后將采集到的微波小信號送到BITE模塊，BITE內(nèi)部集成的檢波芯片采集信號峰值功率，并以12位數(shù)字碼將峰值功率值向外報送出。當輸出功率值低于額定值1 dB以上時報欠輸出故障；當輸入功率值低于額定值3 dB以上時報欠輸入故障；當反射功率值達到輸出功率額定值的一半時報過反射故障，并禁止門套輸出，從而關(guān)斷射頻輸出以保護組件內(nèi)部器件。

當功放組件無激勵輸入或者無門套輸入時必然無功率輸出。為提高雷達系統(tǒng)的可靠性，激勵/控制單元采用備份冗余設(shè)計是一個很好的途徑。為適應(yīng)高可靠性雷達整機的設(shè)計需求，組件采用激勵/控制雙通道冗余設(shè)計。當雷達系統(tǒng)的主激勵/控制單元出現(xiàn)故障，BITE檢測到組件內(nèi)部主通道激勵欠輸入故障或者無門套輸入故障，則把故障狀態(tài)反饋回上級監(jiān)控，上級監(jiān)控關(guān)閉主激勵/控制單元并開啟處于熱備份狀態(tài)的備激勵/控制單元，將激勵信號和控制信號通過組件的備份通道發(fā)送給組件，使組件正常工作，從而提高整機的任務(wù)可靠性。

BITE將所有的組件內(nèi)部狀態(tài)信息，包括輸出功率值、反射功率值、輸入功率值、二路溫度值、欠輸出故障、過反射故障、欠輸入故障、過溫故障、無門套輸入故障等，以串口形式回饋給上級監(jiān)控。與控制輸入通道冗余設(shè)計類似，狀態(tài)回饋通道亦采用了冗余設(shè)計。

BITE模塊結(jié)構(gòu)上設(shè)計成帶蓋板的獨立盒體，減弱組件的大功率空間輻射對BITE的小信號模擬電路和數(shù)字電路的影響，從而提高BITE模塊的抗干擾能力。

2.4 組件電源及儲能設(shè)計

組件內(nèi)部需要三種直流電源：+32 V、-5 V和+5 V。+32 V為功率管漏極偏置需要的電源，-5 V為功率管柵極偏置需要的電源，+5 V為組件BITE工作需要的電源。僅+32 V電源由組件外部引入，-5 V和+5 V由+32 V通過組件內(nèi)部的DC/DC模塊變換產(chǎn)生，這使得組件的電源接口變得極為簡潔。

由于組件工作于脈沖模式，+32 V直流電源進入組件后需要通過儲能電容再饋送至每個功率管的漏極，這樣才能保證放大器輸出信號的脈內(nèi)功率頂降不至過大[9]。

儲能電容的總?cè)萘?C)與組件的峰值工作電流(Ip)、脈寬(Tp)、工作電壓(Vcc)以及要求的頂降(δ)有關(guān)。它們之間滿足關(guān)系公式[9]

(2)

考慮到整個組件包括8個末級功率管(峰值功率300 W)、1個驅(qū)動級功率管(峰值功率200 W)和1個前驅(qū)模塊(峰值功率15 W)，總峰值功率Pp=300×8+200+15=2615 W，效率η=60%，工作電壓Vcc=32 V，由此計算出組件峰值電流

(3)

組件的工作脈寬為450 μs，要求脈內(nèi)頂降不超過0.015，由(2)可算出電容容量為127500 μF，考慮25%的余量，整個組件約需儲能電容容量為160000 μF。

3 研制結(jié)果

圖5為研制的組件實物圖。組件內(nèi)部布局緊湊，射頻通道采用“無走線”的設(shè)計思想，盡量減小射頻信號和低頻信號之間的互相干擾。組件的對外接口包括射頻輸入(雙路，冗余設(shè)計)、射頻輸出、電源和控制接口，這些接口位于組件后測，均采用盲插連接方式以保證組件的快速插拔，極大地提高了組件的維修性。

圖5 功放組件實物圖

組件通過了高低溫、溫度沖擊、隨機振動等環(huán)境試驗的考核，證明該組件穩(wěn)定可靠。我們對組件在常溫、低溫和高溫不同環(huán)境下進行電性能測試，測試前先對大功率衰減器的插入損耗和輸出同軸電纜的插入損耗進行測量，獲得的總損耗作為峰值功率計的偏移量。表2給出了組件在不同環(huán)境溫度下(低溫：-45 °C，常溫：+25 °C，高溫：+50 °C)S波段頻帶內(nèi)7個頻率點(F1～F7)的輸出峰值功率(單位：kW)和工作電流(單位：A)，以及由此計算出的帶內(nèi)功率起伏(單位：dB)和效率(單位：%)。測試條件為：脈寬450 μs，占空比15 %。

表2 功放組件測試數(shù)據(jù)(脈寬450 μs，占空比15%)

表中數(shù)據(jù)表明，組件在全溫范圍內(nèi)輸出峰值功率大于1.6 kW，同溫下整個帶內(nèi)起伏小于1.0 dB，全溫范圍內(nèi)組件效率超過40 %，滿足指標要求。圖6給出了雷達主控臺的收發(fā)分系統(tǒng)的狀態(tài)檢測界面，從中可以直接讀取每個功放組件的詳細工作參數(shù)，包括組件的輸入功率值、輸出功率值、反射功率值、溫度值以及組件故障狀態(tài)等。

圖6 功放組件狀態(tài)檢測界面

4 結(jié) 語

成功研制了S波段GaN固態(tài)功放組件，組件在450 μs脈寬、15 %占空比條件下輸出峰值功率超過1.6 kW，效率達到40%。組件不僅實現(xiàn)了大功率輸出，而且具備一定的智能化，其完善的BITE設(shè)計便于雷達系統(tǒng)的健康管理。迄今雷達發(fā)射機經(jīng)過累計1500個小時烤機工作，40個組件均未出現(xiàn)失效現(xiàn)象，表明組件性能穩(wěn)定可靠。該組件在高可靠雷達系統(tǒng)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力，也為其它高頻大功率固態(tài)功放組件的設(shè)計提供了很好的借鑒意義。