金　明

(安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司，安徽 六安 237010 )

0　引　言

在現(xiàn)代雷達(dá)的應(yīng)用中微波固態(tài)器件不斷發(fā)展。固態(tài)功率晶體管廣泛應(yīng)用于雷達(dá)功放組件的設(shè)計(jì)中，其中氮化鎵和碳化硅等一類新型的半導(dǎo)體材料具有臨界擊穿電場(chǎng)高、寬帶隙等突出優(yōu)點(diǎn)，顯著優(yōu)于一代半導(dǎo)體Si、二代半導(dǎo)體GaAs和LDMOS，被稱為第三代半導(dǎo)體材料。[1]GaN功率晶體管成為發(fā)展較快的寬禁帶器件，因?yàn)樵撈骷哂衅洫?dú)特的優(yōu)點(diǎn)：(1)溝道工作溫度高(高于600 ℃)，工作溫度范圍寬；(2)工作效率高，遠(yuǎn)優(yōu)于砷化鎵器件和硅器件；(3)功率密度高，10 W/cm2以上的單元輸出功率， 50 V以上工作電壓；(4)阻抗高，便于寬帶匹配，可實(shí)現(xiàn)超寬的工作帶寬；(5)具有競(jìng)爭(zhēng)力的噪聲系數(shù)指標(biāo)；(6)具有高的抗輻射能力。

固態(tài)雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分就是固態(tài)功放組件。微波功率器件的發(fā)展給固態(tài)功放組件的設(shè)計(jì)提出了更高的要求：復(fù)雜的電磁兼容設(shè)計(jì)、高可靠性、大電流、高熱耗。雷達(dá)固態(tài)功放組件設(shè)計(jì)師所面臨的一個(gè)重點(diǎn)就是如何解決這些難題，確保其高可靠地工作。而固態(tài)功放組件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)恰恰在于合理的電磁兼容設(shè)計(jì)、適合的平面布局、優(yōu)良的電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)、良好的熱設(shè)計(jì)，以及加工工藝的有效性和可靠性等。[2]

1　設(shè)計(jì)方法

1.1　技術(shù)指標(biāo)

工作頻段：L波段

輸出峰值功率：≥1.5 kW

工作比：≤20%

帶內(nèi)幅度起伏：≤1dB(rms)

脈沖頂降：≤0.5 dB

信號(hào)脈沖寬度:2～330 μs

發(fā)射輸出信噪比:≥60 dB

1.2　電訊設(shè)計(jì)

電訊設(shè)計(jì)的目標(biāo)是1.1節(jié)中包含的技術(shù)指標(biāo)。在技術(shù)指標(biāo)達(dá)到的同時(shí)也必須要考慮固態(tài)功放組件內(nèi)部的熱設(shè)計(jì)，以及電磁兼容設(shè)計(jì)等。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，固態(tài)功放組件需要電路布局完善、合成效率高效和電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)合理。本功放組件采用了3種射頻功率放大模塊：24 dBm高增益放大器、125 W功放模塊和650 W功放模塊。5 W高增益放大器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是減小帶內(nèi)功率起伏和頂降，確保最佳激勵(lì)。125 W功率模塊的設(shè)計(jì)重點(diǎn)為減小帶內(nèi)功率起伏、較高的效率。650 W功率模塊的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是可靠性、一致性和熱設(shè)計(jì)。采用了4只峰值功率高達(dá)650 W的GaN功率晶體管并聯(lián)合成，以達(dá)到大于2 000 W的輸出功率要求。電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)采用1推4結(jié)構(gòu)。

組件采用了3級(jí)功率放大的形式，如圖1所示。10 dBm的微波小信號(hào)經(jīng)過一個(gè)衰減器送至37 dBm高增益放大器，輸出功率經(jīng)過衰減器推動(dòng)一個(gè)125 W的單管放大器，經(jīng)過衰減器、隔離器降額以后該放大器降額至100 W，1分4推動(dòng)4路650 W微波功率模塊經(jīng)合成輸出不小于2 000 W的峰值功率。在板線合成器的輸入端都加入了一個(gè)隔離器，目的是保護(hù)功率管穩(wěn)定工作，避免負(fù)載牽引效應(yīng)影響輸入輸出電路匹配。

第1級(jí)高增益放大器采用了L、S波段通用功放模塊，主要指標(biāo)如下：

工作頻率：L波段

輸入功率：10 dBm±3 dB

輸出功率：37 dBm

脈沖寬度：0.6～450 μs

工作比：≤20%

脈沖頂降：≤0.5 dB

工作電壓：+28 V(<1 A)

工作溫度：-45 ℃～+55 ℃

射頻可關(guān)斷，控制信號(hào)：TTL電平，“1”導(dǎo)通，“0”關(guān)斷。

為了達(dá)到輸出功率不小于37 dBm的要求，綜合考慮功率管的可靠性及穩(wěn)定性，選擇3極放大器級(jí)連，各級(jí)之間放置衰減器以備調(diào)試，輸出端放置隔離器以與下一級(jí)功放進(jìn)行隔離。圖2為3級(jí)放大器原理框圖。

4只末級(jí)功率管需要1分4的分配器和4合1的合成器。合成器的設(shè)計(jì)主要考慮幾個(gè)因素：(1)合成器應(yīng)有低射頻插入損耗；(2)合成器各輸入連接之間應(yīng)有足夠的射頻隔離；(3)合成器不應(yīng)改變功率放大器的特性；(4)合成器的可靠性要高，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)射機(jī)其他部分。本功放組件功分器采用威爾金森加電橋的形式。組件的合成器采用空氣帶狀線的形式。相對(duì)其他合成器，空氣帶狀線具有低損耗、高合成效率、一致性好等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了組件穩(wěn)定性和高功率輸出。

功放組件內(nèi)具有完善的BITE電路。組件中的BITE電路功能強(qiáng)大，不但要檢測(cè)輸入功率和過/欠激勵(lì)故障、過脈寬和過工作比故障、電源過壓和欠壓等故障，還要實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)的開機(jī)和關(guān)機(jī)。主電源電壓過高、過低時(shí)要關(guān)斷組件，組件過熱時(shí)也要關(guān)斷組件。功放組件前面板加了一個(gè)工作電流的測(cè)試插座。末級(jí)功率管的工作電流采樣信號(hào)引到插座上可以方便判斷末級(jí)功率管是否失效。為提高GaN功率晶體管的可靠性，在功率管柵壓加穩(wěn)壓及調(diào)制電路。電路如圖3所示。

1.3　電磁兼容設(shè)計(jì)

功放組件中電信號(hào)復(fù)雜多樣，既有低頻小信號(hào)又有大功率微波信號(hào)，既有數(shù)字量又有模擬量。不合理的設(shè)計(jì)會(huì)影響電子電路的正常工作。電磁兼容設(shè)計(jì)思 想是順路和順場(chǎng)(電場(chǎng)和磁場(chǎng))。抑制電磁干擾的方法主要從地線設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)、瞬態(tài)抑制和濾波設(shè)計(jì)3方面考慮。

功放組件的電磁兼容設(shè)計(jì)采用了下列方法：功放組件射頻信號(hào)輸入端到高增益功放輸入端使用帶金屬屏蔽層的射頻同軸電纜連接，有效防止組件內(nèi)的電磁干擾；射頻各功放模塊與BITE電路用金屬隔板隔離開，射頻功放模塊分割成多個(gè)小腔體，防止腔體效應(yīng)產(chǎn)生自激震蕩；合成器采用空氣帶狀線的形式；功放模塊級(jí)間加隔離器，保證級(jí)間隔離，同時(shí)防止駐波損壞功率晶體管。

1.4　功放組件防自激設(shè)計(jì)

與Si雙極性晶體管相比，GaN功率晶體管的增益很高，可達(dá)到12 dB以上，實(shí)現(xiàn)了低輸入、高輸出、高增益，但同時(shí)增加了功放模塊自激震蕩的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在設(shè)計(jì)射頻放大鏈時(shí)，要均衡設(shè)計(jì)各級(jí)功放模塊的增益，避免總增益過大影響功放模塊工作的穩(wěn)定性，減小自激震蕩發(fā)生頻率。

自激振蕩的發(fā)生會(huì)使放大器處于飽和或截止工作狀態(tài)，輸出信號(hào)嚴(yán)重失真。設(shè)計(jì)師可通過以下措施抑制自激震蕩的發(fā)生：射頻放大鏈前端采取措施消除帶外干擾，減小末級(jí)輸出的帶外噪聲干擾；將功放組件分隔成一個(gè)個(gè)小的腔體，防止腔體效應(yīng)帶來不良影響，將射頻部分和控制部分用腔體隔開，將射頻大信號(hào)和小信號(hào)用腔體隔開；組件蓋板貼吸波材料，有效衰減射頻泄露出來的能量。

1.5　組件的熱設(shè)計(jì)

為了保證功放組件能夠穩(wěn)定、可靠地工作，必須對(duì)功放組件進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，確保功放模塊能工作在穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)。功放組件熱設(shè)計(jì)的核心是功放模塊的熱設(shè)計(jì)。影響功率管可靠性的重要因素是功率管的結(jié)溫。良好的熱設(shè)計(jì)是功率管高可靠性的保證。對(duì)固態(tài)功率晶體管來說，當(dāng)結(jié)溫降低10 ℃時(shí)，可靠性提高40%。功率管產(chǎn)生的大部分熱量來自于芯片上5 μm的結(jié)點(diǎn)。要冷卻節(jié)點(diǎn)必須有一個(gè)低熱阻路徑到達(dá)外表面和外部空氣。與其他發(fā)熱電路一樣，如果路徑中有一個(gè)高阻元件，熱擴(kuò)散就會(huì)受阻，結(jié)點(diǎn)溫度會(huì)升高。熱擴(kuò)散的主要方向按照45°圓錐角，從結(jié)點(diǎn)擴(kuò)散到底部邊緣，最高溫度在熱圓錐的中心，邊緣溫度最高的地方在功率管模塊的中心下方邊緣。功率晶體管的熱模型如圖4所示。

隨著射頻半導(dǎo)體功率器件的發(fā)展，功率晶體管單位面積的功率不斷增大，熱流密度不斷增大，熱耗不斷增加，對(duì)固態(tài)功放組件熱設(shè)計(jì)提出了更高的要求。固態(tài)功放組件的熱設(shè)計(jì)是雷達(dá)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一[3]。本固態(tài)功放組件選用的GaN功率晶體管，其單管的最大熱耗可達(dá)到70 W，熱流密度為35 W/cm2。在這種條件下，風(fēng)冷卻已經(jīng)達(dá)不到熱設(shè)計(jì)的要求，因此采用液體冷卻設(shè)計(jì)。確定冷卻媒質(zhì)的流速、設(shè)計(jì)有效的水道等是本固態(tài)功放組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須綜合考慮各方面的因素，設(shè)計(jì)目標(biāo)為：工作可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，既能電訊要求又能滿足熱設(shè)計(jì)要求，并且所用冷卻代價(jià)最小。

為保證組件熱設(shè)計(jì)的有效性，需要先進(jìn)行組件熱耗分析計(jì)算。本固態(tài)功放組件選用了1只120 W GaN功率管和4只600 W GaN功率管，其中每只600 W單管的最大熱耗約為70 W，組件的總熱耗為405 W，熱流密度35 W/cm2。需要完成以下設(shè)計(jì)工作[4]：

(1) 合理選用材料和關(guān)鍵的元器件；

(2) 對(duì)關(guān)鍵的熱耗器件進(jìn)行熱分析和熱設(shè)計(jì)，保證它們的工作溫度在合理的溫度區(qū)間之內(nèi)；

(3) 根據(jù)組件熱耗元器件的布局和電路的布局，對(duì)水道進(jìn)行合理的布局；

(4) 設(shè)計(jì)、加工功放組件的樣件，用來做對(duì)比試驗(yàn)和測(cè)試數(shù)據(jù)；

(5) 工藝研究：防腐研究、耐壓試驗(yàn)、材料焊接等；

(6) 重量、外形方面的輕小型化設(shè)計(jì)。

最后一級(jí)的4個(gè)功率晶體管距離比較近，其功率密度最大。固態(tài)功放組件的熱路分析圖如圖5所示。

圖5中，Tj為晶體管結(jié)溫，Pc為最大耗散功率，Tc為晶體管殼溫，Rb為接觸熱阻，Rfa為水道熱阻，Ta為出水溫度，Rjc為晶體管結(jié)內(nèi)阻，Rr為表面輻射熱阻，Rca為晶體管表面直接向空間散熱熱阻。[3]

一般來說，Rca?Rb+Rfa+Rλ，Rr?Rb+Rfa+Rλ。

總熱阻

R=Rjc+Rb+Rλ+Rfa

以上4部分帶來相應(yīng)的溫升：

Tc-Ta=Pc*(Rb+Rfa+Rλ)+ΔT

一般來說，Tλ≈3 ℃，Tfa≈3 ℃，Tb≈5 ℃～6 ℃，則

Tc-Ta≈12 ℃+ΔT

用Icepak熱分析軟件對(duì)功放組件進(jìn)行仿真建模，與實(shí)際基本吻合。組件熱分布仿真圖如圖6所示。

2　組件試驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過合理布局、精心設(shè)計(jì)，組件通過了隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)、高低溫實(shí)驗(yàn)等環(huán)境實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn)，證明了本固態(tài)功放組件性能可靠穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期效果。對(duì)本組件在不同溫度下的輸出功率進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試條件(占空比與脈寬)為D=13%,τ=300 μs。組件在頻帶內(nèi)的輸出功率如圖7所示。由圖7可看出，同一頻點(diǎn)高溫與低溫的功率變化在0.4 dB以內(nèi)，肯定了新型固態(tài)功放組件設(shè)計(jì)的可行性，當(dāng)然與采用液冷散熱設(shè)計(jì)不無關(guān)系。功放組件布局圖如圖8所示。

3　結(jié)束語

本文通過介紹一種新型大功率固態(tài)功放組件的設(shè)計(jì)方法，闡述了新型GaN功率晶體管的運(yùn)用給功放組件設(shè)計(jì)帶來的便利和挑戰(zhàn)。GaN晶體管低輸入、高增益、寬脈寬的特點(diǎn)使功放組件布局更加簡(jiǎn)潔可靠，其輸出功率高、熱流密度大的特點(diǎn)對(duì)組件的熱設(shè)計(jì)提出了更高的要求。液冷技術(shù)的發(fā)展為功放組件的熱設(shè)計(jì)提供了更為可靠的保障。通過改變冷板中水道的布局、冷卻液流速及進(jìn)水的溫度，液冷技術(shù)可以處理熱流密度近100 W/cm2的熱量，保證功放組件正常工作。