收發系統中Si功率器件的替代設計

楊 斐 楊景超 崔 敏 康 穎 王 潔

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

有源相控陣雷達以其靈活的相位配置、多波束形成以及高效率的空間功率合成等優點，逐漸替代其它形式雷達。有源相控陣雷達的主要組成為收發系統，而收發系統的核心部分則是以LDMOS、Si雙極型、GaAs FET、GaN FET為主的功率器件[1][3][8]。

隨著科學技術的不斷推進，以氮化鎵(GaN)為主導的第三代半導體技術得到迅速發展?？v觀功率器件的發展歷程可知，從Si到GaAs功率器件，再到GaN功率器件，GaN功率器件以其優越的寬帶、高功率、高效率等特點日益成為功率器件舞臺的主角[2][4]。

1 器件特性分析

以GaN為代表的第三代半導體器件的出現，Si雙極型晶體管的市場需求越來越小，逐漸停產，以Si雙極型晶體管為核心器件的有源相控陣雷達，再生產、維修和售后服務將不能得到條件保證[2][4][5][9]。為了解決這一系列的問題，收發系統中各組件的Si功率器件的替代設計將成為產品設計師短期內考慮的首要問題之一。

從表1可知，以GaN為代表的第三代半導體器件，具有較寬的禁帶寬度、高擊穿電場、高熱導率、高電子飽和速率等特點，相對Si及GaAs功率器件，GaN功率器件更適合于制作高溫、高頻及高功率器件，可以大大降低高功率微波功率器件的成本和重量，同時有助于提高系統可靠性，其優異特性更適合應用在軍用電子裝備和武器系統。

表1 半導體器件特性表

對應指標分析如下：

1)禁帶寬度寬，具有更高的工作電壓和擊穿電壓，可有效提升功率器件效率。

2)電子飽和速率高，可工作在更高頻率。

3)電子密度高，具有更高的功率輸出能力。

4)熱導率高，具有更高的功率輸出能力。

5)高的Johnson優值指數、Keyes優值指數和Baliga優值指數分別提升功率頻率能力、耐熱能力，降低導通功率損耗[2][4][5][7][9]。

綜合以上器件特性的對比，GaN功率器件以其各項優越的電氣特性將成為Si功率器件替代設計中首選。

2 設計要求

1)組件對外機械接口不變、電氣接口不變。

2)組件各項指標要求滿足技術條件要求。

3)組件高低溫下相位特性一致。

3 設計分析

對于不同的功率器件，功率特性、相位特性、溫度特性存在一定的差異，若差異較大，將導致收發系統中各組件收發信號在不同環境下功率幅度和相位變化不同，直接影響雷達波束形成能力，致使雷達威力減弱、波束指向出現偏差甚至混亂，最終勢必導致雷達探測信息錯誤甚至系統錯亂[6][8][10]。所以替代設計需解決的關鍵問題即是收發系統中各組件的信號功率幅度匹配和相位匹配問題。

3.1 收發系統組成框圖

3.2 功率幅度匹配設計

3.2.1 T/R組件幅度匹配設計

1)T/R組件框圖

T/R組件發射通道進行功能塊劃分如圖2所示，各功能塊保持原結構尺寸不變。

如圖3所示，原T/R組件發射放大鏈路單元1輸入功率為35.5dBm，經過整個鏈路的放大，最終經單元5輸出大于53.5dBm。

圖1 收發系統框圖

圖2 T/R組件框圖

2)T/R組件發射放大鏈路增益分配如圖3所示。

圖3 新T/R組件發射放大鏈路增益分配圖

3.2.2 推動組件幅度匹配設計

1)推動組件框圖

推動組件進行功能塊劃分如圖4所示，各功能塊保持原結構尺寸不變。

圖4 推動組件框圖

如圖4所示，推動組件發射放大鏈路單元1輸入功率為35.5dBm，經過整個鏈路的放大，最終經單元5輸出大于50.7dBm。

2)推動組件放大鏈路增益分配如圖5所示。

圖5 新推動組件放大鏈路增益分配圖

3.2.3 驅動組件幅度匹配設計

1)驅動組件框圖如圖6所示。

圖6 驅動組件框圖

2)驅動組件放大鏈路增益分配如圖7所示。

圖7 新驅動組件放大鏈路增益分配圖

驅動組件采用整體替代設計，將原組件中4級放大器采用1個放大器模塊替換，同時對驅動組件結構及對外接口不變的情況下進行設計。

3.3 相位匹配設計

3.3.1 T/R組件相位匹配設計

經過對多個Si功率器件T/R組件相位特性測試，得到數據如表2所示。

由圖8(a)可知，Si功率器件T/R組件在-40～+55℃的溫度變化下相位正向漂移80～105°，相位隨溫度變化特性為8～10°/上升10℃。

圖8 T/R組件相位隨溫度漂移特性

GaN功率器件T/R組件在-40～+55℃的溫度變化下相位正向漂移55～75°，相位隨溫度變化特性為5.5～7.5°/上升10℃。

以上測試數據顯示，Si功率器件T/R組件和GaN功率器件T/R組件相位隨溫度漂移特性存在一定差異，為了保證兩種T/R組件內部結構的完全匹配，不能額外增加電路，在單元2(隔離模塊)設計中進行相位漂移特性匹配設計。通過對相關元器件特性分析，最終方案確定為在單元2中采用定制隔離器進行正向相位漂移補償，實現在95℃的溫度變換范圍內相位正向漂移10～20°，單元2相位漂移特性測試結果如圖9所示。由圖9可知，單元2采用定制隔離器相位補償后，在-40～+55℃的溫度變化下相位正向漂移差異為15～25°，且呈正向分布，比例關系為1.5～2.5°/上升10℃，理論上可滿足T/R組件相位漂移補償。

經測試，T/R組件的相位隨溫度漂移數據見圖8(b)，在-40～+55℃的溫度變化下相位正向漂移差異為75～105°，且呈正向分布，比例關系為7.5～10.5°/上升10℃，滿足T/R組件一致性設計要求。

圖9 單元2相位隨溫度漂移特性

3.3.2 推動組件相位匹配設計

原推動組件在-40～+55℃的溫度變化下相位正向漂移差異為55～70°，且呈正向分布，比例關系為5.5～7°/上升10℃，一致性設計方法同T/R組件相位匹配設計，通過在單元1中隔離器進行正向溫漂補償設計，在-40～+55℃的溫度變化下相位正向漂移差異為60～75°，且呈正向分布，比例關系為6～7.5°/上升10℃，滿足推動組件一致性設計要求。

圖10 推動組件相位隨溫度漂移特性

4 測試數據

4.1 T/R組件測試

經過對多個T/R組件(完成一致性匹配設計)的電氣特性進行對比測試，數據整理如表2所示。

經過對多個T/R組件(完成一致性匹配設計)的相位特性測試，測試數據見圖8(c)、表2所示，幅度相位均滿足設計要求。

表2 測試數據對比表(多個平均值)

4.2 推動組件測試

經過對多個推動組件(完成一致性匹配設計)的電氣特性進行對比測試，數據整理如表3所示。

表3 測試數據對比表(多個平均值)

續表

經過對多個推動組件(完成一致性位匹配設計)的相位特性測試，測試數據見圖10、表3所示，幅度相位均滿足設計要求。

4.3 驅動組件測試

如表4所示。

表4 測試數據對比表

4.4 收發系統測試

經過對收發系統電氣特性進行對比測試(在原收發系統中安裝部分替代設計組件)，數據整理如表5所示。

表5 測試數據對比表(多個平均值)

5 結束語

本文從功率、相位等方面進行設計驗證，替代設計完全滿足設計要求，并對收發系統部分指標有較大提升。

1)收發系統中原有組件電氣、機械接口保持不變，技術指標滿足相關技術要求。

2)由表2、3、4可知。組件各項技術指標滿足設計要求，前后沿時間改善約100ns，脈沖頂降改善約1dB，平均功耗減少約50%。

3)由圖8(b)、圖10可知，GaN功率器件Si功率器件組件相位隨溫度漂移特性比例關系基本一致。

4)經過試驗驗證，產品損耗率降低約50%。

綜上所述，收發系統中GaN功率器件替代Si功率器件完全可以實現，同時對收發系統部分指標有所提升，充分展現出GaN功率器件的優良性能，希望能給收發系統設計人員提供一點參考。