收發(fā)系統(tǒng)中Si功率器件的替代設(shè)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?yán)走_(dá)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(yōu)點，逐漸替代其它形式雷達(dá)。有源相控陣?yán)走_(dá)的主要組成為收發(fā)系統(tǒng)，而收發(fā)系統(tǒng)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(xué)技術(shù)的不斷推進，以氮化鎵(GaN)為主導(dǎo)的第三代半導(dǎo)體技術(shù)得到迅速發(fā)展。縱觀功率器件的發(fā)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(yōu)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(dǎo)體器件的出現(xiàn)，Si雙極型晶體管的市場需求越來越小，逐漸停產(chǎn)，以Si雙極型晶體管為核心器件的有源相控陣?yán)走_(dá)，再生產(chǎn)、維修和售后服務(wù)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(fā)系統(tǒng)中各組件的Si功率器件的替代設(shè)計將成為產(chǎn)品設(shè)計師短期內(nèi)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(dǎo)體器件，具有較寬的禁帶寬度、高擊穿電場、高熱導(dǎo)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(tǒng)可靠性，其優(yōu)異特性更適合應(yīng)用在軍用電子裝備和武器系統(tǒng)。

表1 半導(dǎo)體器件特性表

對應(yīng)指標(biāo)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(dǎo)率高，具有更高的功率輸出能力。

5)高的Johnson優(yōu)值指數(shù)、Keyes優(yōu)值指數(shù)和Baliga優(yōu)值指數(shù)分別提升功率頻率能力、耐熱能力，降低導(dǎo)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(yōu)越的電氣特性將成為Si功率器件替代設(shè)計中首選。

2 設(shè)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(biāo)要求滿足技術(shù)條件要求。

3)組件高低溫下相位特性一致。

3 設(shè)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(dǎo)致收發(fā)系統(tǒng)中各組件收發(fā)信號在不同環(huán)境下功率幅度和相位變化不同，直接影響雷達(dá)波束形成能力，致使雷達(dá)威力減弱、波束指向出現(xiàn)偏差甚至混亂，最終勢必導(dǎo)致雷達(dá)探測信息錯誤甚至系統(tǒng)錯亂[6][8][10]。所以替代設(shè)計需解決的關(guān)鍵問題即是收發(fā)系統(tǒng)中各組件的信號功率幅度匹配和相位匹配問題。

3.1 收發(fā)系統(tǒng)組成框圖

3.2 功率幅度匹配設(shè)計

3.2.1 T/R組件幅度匹配設(shè)計

1)T/R組件框圖

T/R組件發(fā)射通道進行功能塊劃分如圖2所示，各功能塊保持原結(jié)構(gòu)尺寸不變。

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

圖1 收發(fā)系統(tǒng)框圖

圖2 T/R組件框圖

2)T/R組件發(fā)射放大鏈路增益分配如圖3所示。

圖3 新T/R組件發(fā)射放大鏈路增益分配圖

3.2.2 推動組件幅度匹配設(shè)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(jié)構(gòu)尺寸不變。

圖4 推動組件框圖

如圖4所示，推動組件發(fā)射放大鏈路單元1輸入功率為35.5dBm，經(jīng)過整個鏈路的放大，最終經(jīng)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(qū)動組件幅度匹配設(shè)計

1)驅(qū)動組件框圖如圖6所示。

圖6 驅(qū)動組件框圖

2)驅(qū)動組件放大鏈路增益分配如圖7所示。

圖7 新驅(qū)動組件放大鏈路增益分配圖

驅(qū)動組件采用整體替代設(shè)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(qū)動組件結(jié)構(gòu)及對外接口不變的情況下進行設(shè)計。

3.3 相位匹配設(shè)計

3.3.1 T/R組件相位匹配設(shè)計

經(jīng)過對多個Si功率器件T/R組件相位特性測試，得到數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)的完全匹配，不能額外增加電路，在單元2(隔離模塊)設(shè)計中進行相位漂移特性匹配設(shè)計。通過對相關(guān)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(xiàn)在95℃的溫度變換范圍內(nèi)相位正向漂移10～20°，單元2相位漂移特性測試結(jié)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(guān)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(jīng)測試，T/R組件的相位隨溫度漂移數(shù)據(jù)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(guān)系為7.5～10.5°/上升10℃，滿足T/R組件一致性設(shè)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(shè)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(guān)系為5.5～7°/上升10℃，一致性設(shè)計方法同T/R組件相位匹配設(shè)計，通過在單元1中隔離器進行正向溫漂補償設(shè)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(guān)系為6～7.5°/上升10℃，滿足推動組件一致性設(shè)計要求。

圖10 推動組件相位隨溫度漂移特性

4 測試數(shù)據(jù)

4.1 T/R組件測試

經(jīng)過對多個T/R組件(完成一致性匹配設(shè)計)的電氣特性進行對比測試，數(shù)據(jù)整理如表2所示。

經(jīng)過對多個T/R組件(完成一致性匹配設(shè)計)的相位特性測試，測試數(shù)據(jù)見圖8(c)、表2所示，幅度相位均滿足設(shè)計要求。

表2 測試數(shù)據(jù)對比表(多個平均值)

4.2 推動組件測試

經(jīng)過對多個推動組件(完成一致性匹配設(shè)計)的電氣特性進行對比測試，數(shù)據(jù)整理如表3所示。

表3 測試數(shù)據(jù)對比表(多個平均值)

續(xù)表

經(jīng)過對多個推動組件(完成一致性位匹配設(shè)計)的相位特性測試，測試數(shù)據(jù)見圖10、表3所示，幅度相位均滿足設(shè)計要求。

4.3 驅(qū)動組件測試

如表4所示。

表4 測試數(shù)據(jù)對比表

4.4 收發(fā)系統(tǒng)測試

經(jīng)過對收發(fā)系統(tǒng)電氣特性進行對比測試(在原收發(fā)系統(tǒng)中安裝部分替代設(shè)計組件)，數(shù)據(jù)整理如表5所示。

表5 測試數(shù)據(jù)對比表(多個平均值)

5 結(jié)束語

本文從功率、相位等方面進行設(shè)計驗證，替代設(shè)計完全滿足設(shè)計要求，并對收發(fā)系統(tǒng)部分指標(biāo)有較大提升。

1)收發(fā)系統(tǒng)中原有組件電氣、機械接口保持不變，技術(shù)指標(biāo)滿足相關(guān)技術(shù)要求。

2)由表2、3、4可知。組件各項技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)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(guān)系基本一致。

4)經(jīng)過試驗驗證，產(chǎn)品損耗率降低約50%。

綜上所述，收發(fā)系統(tǒng)中GaN功率器件替代Si功率器件完全可以實現(xiàn)，同時對收發(fā)系統(tǒng)部分指標(biāo)有所提升，充分展現(xiàn)出GaN功率器件的優(yōu)良性能，希望能給收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計人員提供一點參考。