L波段液冷GaN固態功放組件設計

金　明

(安徽博微長安電子有限公司，安徽 六安 237010 )

0　引　言

在現代雷達的應用中微波固態器件不斷發展。固態功率晶體管廣泛應用于雷達功放組件的設計中，其中氮化鎵和碳化硅等一類新型的半導體材料具有臨界擊穿電場高、寬帶隙等突出優點，顯著優于一代半導體Si、二代半導體GaAs和LDMOS，被稱為第三代半導體材料。[1]GaN功率晶體管成為發展較快的寬禁帶器件，因為該器件具有其獨特的優點：(1)溝道工作溫度高(高于600 ℃)，工作溫度范圍寬；(2)工作效率高，遠優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，可實現超寬的工作帶寬；(5)具有競爭力的噪聲系數指標；(6)具有高的抗輻射能力。

固態雷達發射系統的一個重要組成部分就是固態功放組件。微波功率器件的發展給固態功放組件的設計提出了更高的要求：復雜的電磁兼容設計、高可靠性、大電流、高熱耗。雷達固態功放組件設計師所面臨的一個重點就是如何解決這些難題，確保其高可靠地工作。而固態功放組件設計的重點恰恰在于合理的電磁兼容設計、適合的平面布局、優良的電路拓補結構、良好的熱設計，以及加工工藝的有效性和可靠性等。[2]

1　設計方法

1.1　技術指標

工作頻段：L波段

輸出峰值功率：≥1.5 kW

工作比：≤20%

帶內幅度起伏：≤1dB(rms)

脈沖頂降：≤0.5 dB

信號脈沖寬度:2～330 μs

發射輸出信噪比:≥60 dB

1.2　電訊設計

電訊設計的目標是1.1節中包含的技術指標。在技術指標達到的同時也必須要考慮固態功放組件內部的熱設計，以及電磁兼容設計等。為了實現上述目標，固態功放組件需要電路布局完善、合成效率高效和電路拓補結構合理。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高增益放大器的設計重點是減小帶內功率起伏和頂降，確保最佳激勵。125 W功率模塊的設計重點為減小帶內功率起伏、較高的效率。650 W功率模塊的設計重點是可靠性、一致性和熱設計。采用了4只峰值功率高達650 W的GaN功率晶體管并聯合成，以達到大于2 000 W的輸出功率要求。電路拓補結構采用1推4結構。

組件采用了3級功率放大的形式，如圖1所示。10 dBm的微波小信號經過一個衰減器送至37 dBm高增益放大器，輸出功率經過衰減器推動一個125 W的單管放大器，經過衰減器、隔離器降額以后該放大器降額至100 W，1分4推動4路650 W微波功率模塊經合成輸出不小于2 000 W的峰值功率。在板線合成器的輸入端都加入了一個隔離器，目的是保護功率管穩定工作，避免負載牽引效應影響輸入輸出電路匹配。

第1級高增益放大器采用了L、S波段通用功放模塊，主要指標如下：

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 ℃

射頻可關斷，控制信號：TTL電平，“1”導通，“0”關斷。

為了達到輸出功率不小于37 dBm的要求，綜合考慮功率管的可靠性及穩定性，選擇3極放大器級連，各級之間放置衰減器以備調試，輸出端放置隔離器以與下一級功放進行隔離。圖2為3級放大器原理框圖。

4只末級功率管需要1分4的分配器和4合1的合成器。合成器的設計主要考慮幾個因素：(1)合成器應有低射頻插入損耗；(2)合成器各輸入連接之間應有足夠的射頻隔離；(3)合成器不應改變功率放大器的特性；(4)合成器的可靠性要高，要遠遠高于發射機其他部分。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，實現了組件穩定性和高功率輸出。

功放組件內具有完善的BITE電路。組件中的BITE電路功能強大，不但要檢測輸入功率和過/欠激勵故障、過脈寬和過工作比故障、電源過壓和欠壓等故障，還要實現發射機的開機和關機。主電源電壓過高、過低時要關斷組件，組件過熱時也要關斷組件。功放組件前面板加了一個工作電流的測試插座。末級功率管的工作電流采樣信號引到插座上可以方便判斷末級功率管是否失效。為提高GaN功率晶體管的可靠性，在功率管柵壓加穩壓及調制電路。電路如圖3所示。

1.3　電磁兼容設計

功放組件中電信號復雜多樣，既有低頻小信號又有大功率微波信號，既有數字量又有模擬量。不合理的設計會影響電子電路的正常工作。電磁兼容設計思 想是順路和順場(電場和磁場)。抑制電磁干擾的方法主要從地線設計、屏蔽設計、瞬態抑制和濾波設計3方面考慮。

功放組件的電磁兼容設計采用了下列方法：功放組件射頻信號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小腔體，防止腔體效應產生自激震蕩；合成器采用空氣帶狀線的形式；功放模塊級間加隔離器，保證級間隔離，同時防止駐波損壞功率晶體管。

1.4　功放組件防自激設計

與Si雙極性晶體管相比，GaN功率晶體管的增益很高，可達到12 dB以上，實現了低輸入、高輸出、高增益，但同時增加了功放模塊自激震蕩的風險。因此，在設計射頻放大鏈時，要均衡設計各級功放模塊的增益，避免總增益過大影響功放模塊工作的穩定性，減小自激震蕩發生頻率。

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

1.5　組件的熱設計

為了保證功放組件能夠穩定、可靠地工作，必須對功放組件進行熱設計，確保功放模塊能工作在穩定的溫度范圍內。功放組件熱設計的核心是功放模塊的熱設計。影響功率管可靠性的重要因素是功率管的結溫。良好的熱設計是功率管高可靠性的保證。對固態功率晶體管來說，當結溫降低10 ℃時，可靠性提高40%。功率管產生的大部分熱量來自于芯片上5 μm的結點。要冷卻節點必須有一個低熱阻路徑到達外表面和外部空氣。與其他發熱電路一樣，如果路徑中有一個高阻元件，熱擴散就會受阻，結點溫度會升高。熱擴散的主要方向按照45°圓錐角，從結點擴散到底部邊緣，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。

隨著射頻半導體功率器件的發展，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，對固態功放組件熱設計提出了更高的要求。固態功放組件的熱設計是雷達發射機設計的關鍵因素之一[3]。本固態功放組件選用的GaN功率晶體管，其單管的最大熱耗可達到70 W，熱流密度為35 W/cm2。在這種條件下，風冷卻已經達不到熱設計的要求，因此采用液體冷卻設計。確定冷卻媒質的流速、設計有效的水道等是本固態功放組件結構設計的難點。冷卻系統的設計必須綜合考慮各方面的因素，設計目標為：工作可靠，結構緊湊，既能電訊要求又能滿足熱設計要求，并且所用冷卻代價最小。

為保證組件熱設計的有效性，需要先進行組件熱耗分析計算。本固態功放組件選用了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。需要完成以下設計工作[4]：

(1) 合理選用材料和關鍵的元器件；

(2) 對關鍵的熱耗器件進行熱分析和熱設計，保證它們的工作溫度在合理的溫度區間之內；

(3) 根據組件熱耗元器件的布局和電路的布局，對水道進行合理的布局；

(4) 設計、加工功放組件的樣件，用來做對比試驗和測試數據；

(5) 工藝研究：防腐研究、耐壓試驗、材料焊接等；

(6) 重量、外形方面的輕小型化設計。

最后一級的4個功率晶體管距離比較近，其功率密度最大。固態功放組件的熱路分析圖如圖5所示。

圖5中，Tj為晶體管結溫，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為晶體管結內阻，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熱分析軟件對功放組件進行仿真建模，與實際基本吻合。組件熱分布仿真圖如圖6所示。

2　組件試驗及測試結果

經過合理布局、精心設計，組件通過了隨機振動實驗、高低溫實驗等環境實驗的考驗，證明了本固態功放組件性能可靠穩定，達到了預期效果。對本組件在不同溫度下的輸出功率進行了測試，測試條件(占空比與脈寬)為D=13%,τ=300 μs。組件在頻帶內的輸出功率如圖7所示。由圖7可看出，同一頻點高溫與低溫的功率變化在0.4 dB以內，肯定了新型固態功放組件設計的可行性，當然與采用液冷散熱設計不無關系。功放組件布局圖如圖8所示。

3　結束語

本文通過介紹一種新型大功率固態功放組件的設計方法，闡述了新型GaN功率晶體管的運用給功放組件設計帶來的便利和挑戰。GaN晶體管低輸入、高增益、寬脈寬的特點使功放組件布局更加簡潔可靠，其輸出功率高、熱流密度大的特點對組件的熱設計提出了更高的要求。液冷技術的發展為功放組件的熱設計提供了更為可靠的保障。通過改變冷板中水道的布局、冷卻液流速及進水的溫度，液冷技術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。