面向雷达的150 V级射频GaN HEMT

鉴于大多数在UHF频段运行的高功率雷达系统的核心是行波管，而行波管体积大、易碎、其效率也只能在65％左右，因此，这些雷达系统有很大的改进空间。用固态器件替换行波管可以提高系统效率和鲁棒性，还可以实现许多改进：可以引入低压电源；可以采用灵活化模块化的设计，从而更加易于维护；可以降低长期系统成本。

尽管有几种固态技术能够在微波区域内提供输出，但大多数并不适合在高功率雷达中应用。硅器件，例如双极型晶体管（BJT）以及垂直和横向扩散金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），已经在VHF到S波段的多种雷达中得到应用，然而其输出功率能力有限。与此同时，也有试图通过采用SiC静态感应晶体管占据市场份额的做法，鉴于在450 MHz频率下，SiC静态感应晶体管的增益不足10 dB、效率仅为50％，这一方法也不可行。

另外一种具有广阔前景的技术则是基于GaN的HEMT。一般来说，此类器件的发射功率受制于其工作电压，通常是50 V级或更低的S波段GaN HEMT。但是，得益于先进的漏极工程技术，该种器件工作电压可达150V，极大地改善了其输出特性。

通过测量输出功率随偏置电压的增长，通过把工作频率设为430 MHz，脉宽为100μs，占空比为10％，发现在75 V、100 V、125 V和150 V的工作条件下会分别产生150 W、250 W、 350 W和450 W的饱和输出功率（见图1）。

图1：15 mm高压GaN晶体管的饱和输出功率和终端负载阻抗。右侧是晶体管为实现最佳匹配所需的相应的负载阻抗。150V时，450W器件的负载阻抗为25欧姆，很容易匹配到50欧姆。这种中等大小的晶体管具有60个栅极梳指（finger）阵列，每个finger的长度为250mm。该裸片（die）的尺寸为3.9mm×1.0mm，经过优化可以提供稳定和可靠的工作性能。

特别令人高兴地是，增加的25 V偏置电压不仅能够将饱和输出功率提高100W，它们还能够增加负载阻抗，从而使其更接近向50欧姆负载（例如天线）提供最大输出功率所需的阻抗大小。

请注意，所有射频功率晶体管的负载阻抗（无论它们由何种材料制成）都相对较低。通过增加栅极外围可以增加输出功率，但却付出了较低负载阻抗的代价。数值越小，将其匹配至50欧姆所需的阻抗转换就越大——输出损耗和效率降低也就越大。

这引出了一个问题：较高的工作电压会产生既可以产生较高的输出功率，又可以提供较高的负载阻抗，为什么这种方法在行业内并不通行？

答案是，要在更高的电压下工作，晶体管必须承受更高的击穿电压。为了实现这一点，并且避免产生严重的故障，必须扩大器件的漂移区域。这是高压射频晶体管最关键的区域，因此这种修改（在业界被称为漏极工程）颇具挑战，必须格外小心。

15 mm 150 V 级GaN晶体管，没有内部输出匹配，有一个LCL输入匹配。因为不使用内部输出匹配，所以可以在器件封装外部调整最佳基波和谐波阻抗。

即便是最佳的漏极设计，也会增加晶体管的导通电阻，进而导致更高的损耗，雷达效率也随之降低。但是，通过最新的漏极工程和现场制版技术，可以将这种效率损耗降到最低。这两者的结合一方面能够产生高击穿电压，另一方面可以将对导通电阻的影响降至最低。

与硅工艺相比，使用AlGaN / GaN HEMT工艺可以提供更多的选择。例如LDMOS, 可以在增加击穿电压的同时将对导通电阻的影响降到最小。 已经采取的一种方法是通过在缓冲层中添加铁来增加击穿电压——少量掺入铝也会产生类似的效果。

不论是采用这些方法中的任何一种，关键是不要过于激进以至于影响器件的可靠性。如果铝或铁的添加不当，在直流测试状态下，器件的导通电阻可能不高，但在射频工作状态下，其导通电阻会显著升高。在GaN器件中，这一过程称为直流-射频色散，对射频器件的性能非常不利。

在75 ~150 V的电压范围内，器件效率超过70％。其中，在100 V时，效率可达78％（详细信息见图2）。在100V时效率最高的原因是： 使用的测试夹具曾用于其它项目，该项目使用了谐波调制技术来优化其100 V偏置时的功率。重新调整测试夹具的谐波阻抗可使器件效率在150 V时接近80％。因为已经成功应用于75 V级器件，这一调整的效果是可以保证的。

图2：15 mm高压GaN晶体管在饱和输出功率下的漏极效率。此效率是根据1 ms周期内100μs脉宽（或10％占空比）的平均电流计算得出的。在雷达操作中，一般在脉冲关闭时通过栅极电路关闭器件。这一过程能够将上面提到的效率值提高平均5个百分点。

作为一种雷达常用的工作模式，栅极脉冲可以进一步提高平均5个百分点的效率增益。这样一来， 450W级器件的效率也得以提升，该类器件的栅极外围仅15 mm，在150 V时效率超过80％。在这种工作方式下，器件增益远高于22 dB，表明了 150 V级GaN技术在较高的UHF频率以及L波段具备良好的性能，可用于脉冲雷达。

相比之下，以相同频率工作的SiC静电感应晶体管仅产生10 dB的增益，并且难以实现50％的漏极效率。较低的增益会带来不良后果：需要一个额外的晶体管来驱动输出级，从而导致电路占用空间更大，系统级的效率也会变低。

实现脉冲雷达等应用所需的更高功率的途径是增加栅极外围的尺寸。鉴于高初始阻抗，降低该阻抗不会有任何重大缺陷。（请注意， 已经具有较大的栅极外围器件的经验，因为在多芯片封装中使用了更传统的具有36mm栅极外围的50 V GaN晶体管，产生了1kW的S波段输出功率。在L波段， 还使用较大的芯片，其栅极外围为50mm。）

如果将150 V器件的栅极外围从15 mm增加到40 mm，这将变成一个可以提供超过1 kW饱和输出功率单芯片器件。尽管负载阻抗会成比例减小，但仍略高于11欧姆，从阻抗匹配的角度来看这是非常易于管理的。此外，还有机会在单端陶瓷封装中形成一个4 kW的四芯片器件，其输出负载阻抗约为3欧；在双引线封装中形成6 kW的六芯片器件，其负载阻抗约为2欧。

除了考虑这些器件的阻抗（从阻抗匹配的角度来看，这些功率电平没有问题）， 还必须考虑与温度相关的问题。根据 的模型，对于以100μs脉冲和10％占空比驱动的15 mm器件，在26°C的外壳温度下热阻为0.5°C / W（在CW操作中为2°C / W，不推荐使用）。

当以80％的效率工作并产生1 kW的输出时，提供给裸片的DC功率为1.25 kW，因此耗散为250W。这将导致在100μs脉冲时出现150°C的峰值结温，这一温度是在可靠工作范围内的。实际温度将低于此温度，因为对于1kW的裸片设计，必须延长finger的长度，而这一调整会降低热阻。

免责声明：本文内容由21ic获得授权后发布，版权归原作者所有，本平台仅提供信息存储服务。文章仅代表作者个人观点，不代表本平台立场，如有问题，请联系我们，谢谢！