收发系统中Si功率器件的替代设计

杨 斐 杨景超 崔 敏 康 颖 王 洁

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

有源相控阵雷达以其灵活的相位配置、多波束形成以及高效率的空间功率合成等优点，逐渐替代其它形式雷达。有源相控阵雷达的主要组成为收发系统，而收发系统的核心部分则是以LDMOS、Si双极型、GaAs FET、GaN FET为主的功率器件[1][3][8]。

随着科学技术的不断推进，以氮化镓(GaN)为主导的第三代半导体技术得到迅速发展。纵观功率器件的发展历程可知，从Si到GaAs功率器件，再到GaN功率器件，GaN功率器件以其优越的宽带、高功率、高效率等特点日益成为功率器件舞台的主角[2][4]。

1 器件特性分析

以GaN为代表的第三代半导体器件的出现，Si双极型晶体管的市场需求越来越小，逐渐停产，以Si双极型晶体管为核心器件的有源相控阵雷达，再生产、维修和售后服务将不能得到条件保证[2][4][5][9]。为了解决这一系列的问题，收发系统中各组件的Si功率器件的替代设计将成为产品设计师短期内考虑的首要问题之一。

从表1可知，以GaN为代表的第三代半导体器件，具有较宽的禁带宽度、高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率等特点，相对Si及GaAs功率器件，GaN功率器件更适合于制作高温、高频及高功率器件，可以大大降低高功率微波功率器件的成本和重量，同时有助于提高系统可靠性，其优异特性更适合应用在军用电子装备和武器系统。

表1 半导体器件特性表

对应指标分析如下：

1)禁带宽度宽，具有更高的工作电压和击穿电压，可有效提升功率器件效率。

2)电子饱和速率高，可工作在更高频率。

3)电子密度高，具有更高的功率输出能力。

4)热导率高，具有更高的功率输出能力。

5)高的Johnson优值指数、Keyes优值指数和Baliga优值指数分别提升功率频率能力、耐热能力，降低导通功率损耗[2][4][5][7][9]。

综合以上器件特性的对比，GaN功率器件以其各项优越的电气特性将成为Si功率器件替代设计中首选。

2 设计要求

1)组件对外机械接口不变、电气接口不变。

2)组件各项指标要求满足技术条件要求。

3)组件高低温下相位特性一致。

3 设计分析

对于不同的功率器件，功率特性、相位特性、温度特性存在一定的差异，若差异较大，将导致收发系统中各组件收发信号在不同环境下功率幅度和相位变化不同，直接影响雷达波束形成能力，致使雷达威力减弱、波束指向出现偏差甚至混乱，最终势必导致雷达探测信息错误甚至系统错乱[6][8][10]。所以替代设计需解决的关键问题即是收发系统中各组件的信号功率幅度匹配和相位匹配问题。

3.1 收发系统组成框图

3.2 功率幅度匹配设计

3.2.1 T/R组件幅度匹配设计

1)T/R组件框图

T/R组件发射通道进行功能块划分如图2所示，各功能块保持原结构尺寸不变。

如图3所示，原T/R组件发射放大链路单元1输入功率为35.5dBm，经过整个链路的放大，最终经单元5输出大于53.5dBm。

图1 收发系统框图

图2 T/R组件框图

2)T/R组件发射放大链路增益分配如图3所示。

图3 新T/R组件发射放大链路增益分配图

3.2.2 推动组件幅度匹配设计

1)推动组件框图

推动组件进行功能块划分如图4所示，各功能块保持原结构尺寸不变。

图4 推动组件框图

如图4所示，推动组件发射放大链路单元1输入功率为35.5dBm，经过整个链路的放大，最终经单元5输出大于50.7dBm。

2)推动组件放大链路增益分配如图5所示。

图5 新推动组件放大链路增益分配图

3.2.3 驱动组件幅度匹配设计

1)驱动组件框图如图6所示。

图6 驱动组件框图

2)驱动组件放大链路增益分配如图7所示。

图7 新驱动组件放大链路增益分配图

驱动组件采用整体替代设计，将原组件中4级放大器采用1个放大器模块替换，同时对驱动组件结构及对外接口不变的情况下进行设计。

3.3 相位匹配设计

3.3.1 T/R组件相位匹配设计

经过对多个Si功率器件T/R组件相位特性测试，得到数据如表2所示。

由图8(a)可知，Si功率器件T/R组件在-40～+55℃的温度变化下相位正向漂移80～105°，相位随温度变化特性为8～10°/上升10℃。

图8 T/R组件相位随温度漂移特性

GaN功率器件T/R组件在-40～+55℃的温度变化下相位正向漂移55～75°，相位随温度变化特性为5.5～7.5°/上升10℃。

以上测试数据显示，Si功率器件T/R组件和GaN功率器件T/R组件相位随温度漂移特性存在一定差异，为了保证两种T/R组件内部结构的完全匹配，不能额外增加电路，在单元2(隔离模块)设计中进行相位漂移特性匹配设计。通过对相关元器件特性分析，最终方案确定为在单元2中采用定制隔离器进行正向相位漂移补偿，实现在95℃的温度变换范围内相位正向漂移10～20°，单元2相位漂移特性测试结果如图9所示。由图9可知，单元2采用定制隔离器相位补偿后，在-40～+55℃的温度变化下相位正向漂移差异为15～25°，且呈正向分布，比例关系为1.5～2.5°/上升10℃，理论上可满足T/R组件相位漂移补偿。

经测试，T/R组件的相位随温度漂移数据见图8(b)，在-40～+55℃的温度变化下相位正向漂移差异为75～105°，且呈正向分布，比例关系为7.5～10.5°/上升10℃，满足T/R组件一致性设计要求。

图9 单元2相位随温度漂移特性

3.3.2 推动组件相位匹配设计

原推动组件在-40～+55℃的温度变化下相位正向漂移差异为55～70°，且呈正向分布，比例关系为5.5～7°/上升10℃，一致性设计方法同T/R组件相位匹配设计，通过在单元1中隔离器进行正向温漂补偿设计，在-40～+55℃的温度变化下相位正向漂移差异为60～75°，且呈正向分布，比例关系为6～7.5°/上升10℃，满足推动组件一致性设计要求。

图10 推动组件相位随温度漂移特性

4 测试数据

4.1 T/R组件测试

经过对多个T/R组件(完成一致性匹配设计)的电气特性进行对比测试，数据整理如表2所示。

经过对多个T/R组件(完成一致性匹配设计)的相位特性测试，测试数据见图8(c)、表2所示，幅度相位均满足设计要求。

表2 测试数据对比表(多个平均值)

4.2 推动组件测试

经过对多个推动组件(完成一致性匹配设计)的电气特性进行对比测试，数据整理如表3所示。

表3 测试数据对比表(多个平均值)

续表

经过对多个推动组件(完成一致性位匹配设计)的相位特性测试，测试数据见图10、表3所示，幅度相位均满足设计要求。

4.3 驱动组件测试

如表4所示。

表4 测试数据对比表

4.4 收发系统测试

经过对收发系统电气特性进行对比测试(在原收发系统中安装部分替代设计组件)，数据整理如表5所示。

表5 测试数据对比表(多个平均值)

5 结束语

本文从功率、相位等方面进行设计验证，替代设计完全满足设计要求，并对收发系统部分指标有较大提升。

1)收发系统中原有组件电气、机械接口保持不变，技术指标满足相关技术要求。

2)由表2、3、4可知。组件各项技术指标满足设计要求，前后沿时间改善约100ns，脉冲顶降改善约1dB，平均功耗减少约50%。

3)由图8(b)、图10可知，GaN功率器件Si功率器件组件相位随温度漂移特性比例关系基本一致。

4)经过试验验证，产品损耗率降低约50%。

综上所述，收发系统中GaN功率器件替代Si功率器件完全可以实现，同时对收发系统部分指标有所提升，充分展现出GaN功率器件的优良性能，希望能给收发系统设计人员提供一点参考。