基于GaN HEMTs的S波段大功率固态功放组件设计

彭恩超，张 瑞

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088；2.安徽省天线与微波工程实验室，合肥 230088)

0 引 言

相比于真空管发射机，固态发射机因其具有工作电压低、可靠性高、维修性好、全寿命周期费用低和机动性好等优点，使其在地面、车载、舰载、机载和星载等雷达领域得到越来越广泛的应用[1]。在S波段雷达领域，基于Si BJT和GaAs功率器件的固态功放组件技术近年来得到快速的发展[2-3]。但是，Si管在高频下较低的电子迁移率使之效率难以提高，GaAs晶体管功率容量低，这些基于材料特性所限的性能缺陷限制了Si管和GaAs功率管在高频大功率发射领域的进一步发展。相比于Si和GaAs，GaN宽禁带半导体材料具有更大的禁带宽度、更高的饱和电子漂移速度和更高的击穿电场强度等显著优点，这使得GaN HEMT可实现更大功率输出、更宽工作带宽和更高工作效率以及更强的抗辐射能力，特别适合固态微波大功率应用。国际上Kwack等人在2011年研制成功基于GaN HEMTs的S波段固态功放组件，组件在400 MHz的带宽内实现55 dB的增益、1 kW的峰值功率输出和34 %的功率附加效率[4]。近年来随着材料质量和器件工艺水平的不断提高，国产GaN HEMT功率器件的可靠性得到大幅的提升，加速寿命试验推导出S波段GaN HEMT在90°C壳温条件下其平均失效时间(MTTF)可达2.97×106h[5]，其可靠性水平使得GaN HEMT在高频大功率发射领域的工程化应用成为现实。

现代雷达对系统的可靠性、维修性和智能化提出了越来越高的要求。可靠性设计除了采用降额设计、简化设计、采用高可靠性元器件等方法外，还必须考虑采用冗余设计方案，以防止雷达系统中某个分系统故障或失效时引起雷达系统整机无法正常工作[6]；维修性设计则要求雷达整机具有完善的BIT状态覆盖；智能化设计则面向无人值守雷达健康管理的需求。健康管理是指利用雷达BIT的测试数据、故障诊断结果、维修资源信息以及其他相关信息，对雷达系统的健康状态和执行任务的能力进行实时分析评估，并根据分析评估结果自动进行维修决策，以实现雷达全寿命周期维修保障的自主化和智能化[7]。

本文以高可靠性雷达系统为应用背景，以国产GaN功率管为基础研制了S波段1.6 kW固态功放组件。组件设计中以高可靠性为原则，并结合实时参数化的数字采样技术和激励/控制的双通道冗余设计技术，适应高可靠雷达系统健康管理的要求。

1 组件技术指标分析

经过上级技术分解，本功放组件的主要技术指标如表1。

表1 功放组件主要技术指标

根据指标要求，该功放组件在S波段输出峰值功率大(全温不小于1.6 kW)，效率较高(全温不小于40%)。若采用Si功率器件则效率难以达到指标要求；若采用GaAs功率器件，考虑到单管输出功率较小需要较多的器件来合成，增加了链路的复杂度，从而提高了整个组件的失效率。如前面所述，由于GaN功率器件在高频大功率固态发射领域有着巨大优势，而且国产GaN器件的可靠性不断走向成熟，我们选用GaN功率管为组件功率放大的基本元件。目前国产GaN HEMT功率器件在S波段性能为：长脉宽单管输出功率350 W以上，效率达到60%以上。适当降额后，我们采用8只300 W的GaN单管进行功率合成，不难实现组件功率和效率指标。

针对系统要求的功率和温度检测，我们在组件BITE设计中采用数字采样技术来实现。关于可靠性设计从两个方面展开：一方面从提高组件自身的可靠性出发，采取关键元器件降额使用、电路抗干扰设计等措施；另一方面对组件的激励/控制通道和接口进行冗余设计，以适应雷达系统的可靠性冗余设计。下一节将分别从组件的微波链路设计、热设计、BITE设计、电源和储能设计等方面展开详细的讨论。

2 组件设计

2.1 微波链路设计

功放组件将10 dBmW的微波小信号放大到1.6 kW(62.3 dBmW)的微波大信号，发射链路增益达到52 dB以上，设计不合理极易引起组件内部自激、震荡。因此合理的链路增益设计和组件拓扑结构设计非常重要。本组件发射链路及增益分配如图1所示，激励信号先通过前驱功放模块放大输出15 W的信号，增益32 dB；再经过驱动功放模块放大输出200 W的信号，增益为12 dB；然后一分四功分器将200 W功率分成等幅同相的四路信号分别进入四个发射通道，每个发射通道经过末级双管功放模块(单管输出300 W，增益12 dB)合成输出不小于500 W的微波信号，最后四路通道信号通过四合一功率合成器合成输出不小于1.6 kW的峰值功率。

图1 微波链路原理图

组件的链路拓扑采用一推一推八的架构，末级功放模块由于输出功率大、数量多成为发射链路设计的关键。结合组件内部四通道的具体布局，采用四个末级功放模块，单个模块采用二入二出的双管形式，如图2所示。该模块采用两个内匹配的国产GaN功率管，单管输出峰值功率大约300 W，增益不小于12 dB，功率附加效率超过60 %。为防止整个链路的自激，器件工作于C类以抑制小信号增益。为了消除雷达工作时发射通道对接收通道的干扰，模块上集成电源调制电路，通过与射频脉冲同步的门套信号来控制功率管漏极电压的开启和关闭，切断脉间工作电压，在接收状态时使器件停止工作。由于GaN HEMT是耗尽型器件，其栅极必须工作在负压条件下，因而对器件的加电顺序提出了严格的要求，器件加电时必须先加栅极电压后加漏极电压，关电时必须先关漏极电压后关栅极电压，否则会导致器件的损坏。因此模块上集成了负压保护电路。末级功放模块实物图如图2所示。

图2 末级功放模块实物图

同样，驱动功放模块和前驱功放模块的设计思路与末级功放模块的设计思路相同，在此不再赘述。值得一提的是，前驱功放模块内部亦采用多级放大链路，增益高达32 dB，而且输入信号为功率为10 dBmW的微波小信号，容易受到后面两级大功率微波信号的空间辐射干扰，从而影响整个组件的稳定可靠输出。因此我们将前驱模块整体设计成带盖板的独立盒体，内部进行分腔设计，消除自激，提高其抗干扰能力。

为了避免负载牵引效应导致功率管输入输出匹配电路的相互影响，在每一级功放模块后面都加一隔离器保证功率管稳定工作。组件的一分四功分器采用Gysel型功分器，该功分器适合于高频率高功率场合[8]。四合一合成器采用空气板线传输形式，其腔体与组件壳体一体化设计，该合成器具有损耗低、合成效率高、一致性好、承受功率容量大等特点，实现了组件稳定性和高功率输出。

2.2 组件散热设计

散热设计是功放组件设计的关键一环。本组件安装在天线阵面，采用室外强迫风冷进行散热，因此功放组件通过在背面设计翅片形散热器来实现散热，达到冷却的目的。考虑室外最恶劣工况为50 ℃高温环境，本组件按照室外50 ℃环境条件开展热设计。

末级功率管是最主要的散热单元，因此功放模块的散热设计尤为重要。根据功率管工作参数：单管峰值输出功率300 W，占空比15%，效率60%，可计算出单管平均热耗为30 W。功率管的法兰尺寸为24 mm×17.4 mm×1.4 mm。为了尽可能减小功率管到组件壳体的热阻，功放模块的底板采用散热优良的铜板，功率管通过焊接的方式安装于底板上。另外，模块底板和组件壳体之间通过垫铟箔进一步降低热阻同时保持模块的良好接地特性。通过仿真优化得到散热翅片尺寸为：高度45 mm、厚度1.5 mm、间距6.5 mm，翅片面积为460 mm×320 mm。组件内部发热元件温度分布图如图3所示，组件内功率管壳温的最高温度为70.7 ℃。根据公式

θj=θc+Rth×Pr

(1)

其中θj为功率管的结温，θc为功率管的壳温，Pr为单管平均热耗，Rth为管芯到管壳的热阻，厂家提供的数值为0.5 ℃/W，通过计算，组件内功率管最高结温为85.7 ℃，满足国军标对功率管的Ⅰ级降额使用要求。

图3 功放组件发热元件的温度分布云图

2.3 组件BITE设计

为满足高可靠性雷达系统对发射功放组件的要求，组件在性能上不仅要实现高可靠，而且要达到“智能化”：即组件不仅能够实时自动获取内部全面的工作状态信息并向上级报送，并且能够对故障自动采取控制措施，满足系统健康管理的要求。因此组件必须具备完善的BITE设计，BITE的原理框图如图4所示。

图4 BITE原理框图

组件工作于脉冲模式，BITE通过组件控制接口接收上级监控送来的422门套信号，转发送出6路TTL门套到组件内部各级功放模块，通过功放模块上的调制电路实现功率管射频输出信号的开关和调制。

BITE能对组件内部热点位置的温度进行数字化检测。组件的温度传感器放置在末级功率管法兰附近并采集温度值以12位数字码的形式传给BITE，BITE再将数字码向外报送出。当温度采样值超过75 ℃时BITE报过温故障，并禁止门套输出，从而关断射频输出以保护组件内部器件。

BITE能够对组件的微波输入功率、输出功率以及反射功率进行数字化检测。组件先通过耦合器采集微波输入信号、输出信号和反射信号，然后将采集到的微波小信号送到BITE模块，BITE内部集成的检波芯片采集信号峰值功率，并以12位数字码将峰值功率值向外报送出。当输出功率值低于额定值1 dB以上时报欠输出故障；当输入功率值低于额定值3 dB以上时报欠输入故障；当反射功率值达到输出功率额定值的一半时报过反射故障，并禁止门套输出，从而关断射频输出以保护组件内部器件。

当功放组件无激励输入或者无门套输入时必然无功率输出。为提高雷达系统的可靠性，激励/控制单元采用备份冗余设计是一个很好的途径。为适应高可靠性雷达整机的设计需求，组件采用激励/控制双通道冗余设计。当雷达系统的主激励/控制单元出现故障，BITE检测到组件内部主通道激励欠输入故障或者无门套输入故障，则把故障状态反馈回上级监控，上级监控关闭主激励/控制单元并开启处于热备份状态的备激励/控制单元，将激励信号和控制信号通过组件的备份通道发送给组件，使组件正常工作，从而提高整机的任务可靠性。

BITE将所有的组件内部状态信息，包括输出功率值、反射功率值、输入功率值、二路温度值、欠输出故障、过反射故障、欠输入故障、过温故障、无门套输入故障等，以串口形式回馈给上级监控。与控制输入通道冗余设计类似，状态回馈通道亦采用了冗余设计。

BITE模块结构上设计成带盖板的独立盒体，减弱组件的大功率空间辐射对BITE的小信号模拟电路和数字电路的影响，从而提高BITE模块的抗干扰能力。

2.4 组件电源及储能设计

组件内部需要三种直流电源：+32 V、-5 V和+5 V。+32 V为功率管漏极偏置需要的电源，-5 V为功率管栅极偏置需要的电源，+5 V为组件BITE工作需要的电源。仅+32 V电源由组件外部引入，-5 V和+5 V由+32 V通过组件内部的DC/DC模块变换产生，这使得组件的电源接口变得极为简洁。

由于组件工作于脉冲模式，+32 V直流电源进入组件后需要通过储能电容再馈送至每个功率管的漏极，这样才能保证放大器输出信号的脉内功率顶降不至过大[9]。

储能电容的总容量(C)与组件的峰值工作电流(Ip)、脉宽(Tp)、工作电压(Vcc)以及要求的顶降(δ)有关。它们之间满足关系公式[9]

(2)

考虑到整个组件包括8个末级功率管(峰值功率300 W)、1个驱动级功率管(峰值功率200 W)和1个前驱模块(峰值功率15 W)，总峰值功率Pp=300×8+200+15=2615 W，效率η=60%，工作电压Vcc=32 V，由此计算出组件峰值电流

(3)

组件的工作脉宽为450 μs，要求脉内顶降不超过0.015，由(2)可算出电容容量为127500 μF，考虑25%的余量，整个组件约需储能电容容量为160000 μF。

3 研制结果

图5为研制的组件实物图。组件内部布局紧凑，射频通道采用“无走线”的设计思想，尽量减小射频信号和低频信号之间的互相干扰。组件的对外接口包括射频输入(双路，冗余设计)、射频输出、电源和控制接口，这些接口位于组件后测，均采用盲插连接方式以保证组件的快速插拔，极大地提高了组件的维修性。

图5 功放组件实物图

组件通过了高低温、温度冲击、随机振动等环境试验的考核，证明该组件稳定可靠。我们对组件在常温、低温和高温不同环境下进行电性能测试，测试前先对大功率衰减器的插入损耗和输出同轴电缆的插入损耗进行测量，获得的总损耗作为峰值功率计的偏移量。表2给出了组件在不同环境温度下(低温：-45 °C，常温：+25 °C，高温：+50 °C)S波段频带内7个频率点(F1～F7)的输出峰值功率(单位：kW)和工作电流(单位：A)，以及由此计算出的带内功率起伏(单位：dB)和效率(单位：%)。测试条件为：脉宽450 μs，占空比15 %。

表2 功放组件测试数据(脉宽450 μs，占空比15%)

表中数据表明，组件在全温范围内输出峰值功率大于1.6 kW，同温下整个带内起伏小于1.0 dB，全温范围内组件效率超过40 %，满足指标要求。图6给出了雷达主控台的收发分系统的状态检测界面，从中可以直接读取每个功放组件的详细工作参数，包括组件的输入功率值、输出功率值、反射功率值、温度值以及组件故障状态等。

图6 功放组件状态检测界面

4 结 语

成功研制了S波段GaN固态功放组件，组件在450 μs脉宽、15 %占空比条件下输出峰值功率超过1.6 kW，效率达到40%。组件不仅实现了大功率输出，而且具备一定的智能化，其完善的BITE设计便于雷达系统的健康管理。迄今雷达发射机经过累计1500个小时烤机工作，40个组件均未出现失效现象，表明组件性能稳定可靠。该组件在高可靠雷达系统领域具有广泛的应用潜力，也为其它高频大功率固态功放组件的设计提供了很好的借鉴意义。