鑒于大多數(shù)在UHF頻段運行的高功率雷達系統(tǒng)的核心是行波管，而行波管體積大、易碎、其效率也只能在65％左右，因此，這些雷達系統(tǒng)有很大的改進空間。用固態(tài)器件替換行波管可以提高系統(tǒng)效率和魯棒性，還可以實現(xiàn)許多改進：可以引入低壓電源；可以采用靈活化模塊化的設計，從而更加易于維護；可以降低長期系統(tǒng)成本。

盡管有幾種固態(tài)技術能夠在微波區(qū)域內(nèi)提供輸出，但大多數(shù)并不適合在高功率雷達中應用。硅器件，例如雙極型晶體管（BJT）以及垂直和橫向擴散金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），已經(jīng)在VHF到S波段的多種雷達中得到應用，然而其輸出功率能力有限。與此同時，也有試圖通過采用SiC靜態(tài)感應晶體管占據(jù)市場份額的做法，鑒于在450 MHz頻率下，SiC靜態(tài)感應晶體管的增益不足10 dB、效率僅為50％，這一方法也不可行。

另外一種具有廣闊前景的技術則是基于GaN的HEMT。一般來說，此類器件的發(fā)射功率受制于其工作電壓，通常是50 V級或更低的S波段GaN HEMT。但是，得益于先進的漏極工程技術，該種器件工作電壓可達150V，極大地改善了其輸出特性。

通過測量輸出功率隨偏置電壓的增長，通過把工作頻率設為430 MHz，脈寬為100μs，占空比為10％，發(fā)現(xiàn)在75 V、100 V、125 V和150 V的工作條件下會分別產(chǎn)生150 W、250 W、 350 W和450 W的飽和輸出功率（見圖1）。

圖1：15 mm高壓GaN晶體管的飽和輸出功率和終端負載阻抗。右側是晶體管為實現(xiàn)最佳匹配所需的相應的負載阻抗。150V時，450W器件的負載阻抗為25歐姆，很容易匹配到50歐姆。這種中等大小的晶體管具有60個柵極梳指（finger）陣列，每個finger的長度為250mm。該裸片（die）的尺寸為3.9mm×1.0mm，經(jīng)過優(yōu)化可以提供穩(wěn)定和可靠的工作性能。

特別令人高興地是，增加的25 V偏置電壓不僅能夠?qū)柡洼敵龉β侍岣?00W，它們還能夠增加負載阻抗，從而使其更接近向50歐姆負載（例如天線）提供最大輸出功率所需的阻抗大小。

請注意，所有射頻功率晶體管的負載阻抗（無論它們由何種材料制成）都相對較低。通過增加柵極外圍可以增加輸出功率，但卻付出了較低負載阻抗的代價。數(shù)值越小，將其匹配至50歐姆所需的阻抗轉換就越大——輸出損耗和效率降低也就越大。

這引出了一個問題：較高的工作電壓會產(chǎn)生既可以產(chǎn)生較高的輸出功率，又可以提供較高的負載阻抗，為什么這種方法在行業(yè)內(nèi)并不通行？

答案是，要在更高的電壓下工作，晶體管必須承受更高的擊穿電壓。為了實現(xiàn)這一點，并且避免產(chǎn)生嚴重的故障，必須擴大器件的漂移區(qū)域。這是高壓射頻晶體管最關鍵的區(qū)域，因此這種修改（在業(yè)界被稱為漏極工程）頗具挑戰(zhàn)，必須格外小心。

15 mm 150 V 級GaN晶體管，沒有內(nèi)部輸出匹配，有一個LCL輸入匹配。因為不使用內(nèi)部輸出匹配，所以可以在器件封裝外部調(diào)整最佳基波和諧波阻抗。

即便是最佳的漏極設計，也會增加晶體管的導通電阻，進而導致更高的損耗，雷達效率也隨之降低。但是，通過最新的漏極工程和現(xiàn)場制版技術，可以將這種效率損耗降到最低。這兩者的結合一方面能夠產(chǎn)生高擊穿電壓，另一方面可以將對導通電阻的影響降至最低。

與硅工藝相比，使用AlGaN / GaN HEMT工藝可以提供更多的選擇。例如LDMOS, 可以在增加擊穿電壓的同時將對導通電阻的影響降到最小。 已經(jīng)采取的一種方法是通過在緩沖層中添加鐵來增加擊穿電壓——少量摻入鋁也會產(chǎn)生類似的效果。

不論是采用這些方法中的任何一種，關鍵是不要過于激進以至于影響器件的可靠性。如果鋁或鐵的添加不當，在直流測試狀態(tài)下，器件的導通電阻可能不高，但在射頻工作狀態(tài)下，其導通電阻會顯著升高。在GaN器件中，這一過程稱為直流-射頻色散，對射頻器件的性能非常不利。

在75 ~150 V的電壓范圍內(nèi)，器件效率超過70％。其中，在100 V時，效率可達78％（詳細信息見圖2）。在100V時效率最高的原因是： 使用的測試夾具曾用于其它項目，該項目使用了諧波調(diào)制技術來優(yōu)化其100 V偏置時的功率。重新調(diào)整測試夾具的諧波阻抗可使器件效率在150 V時接近80％。因為已經(jīng)成功應用于75 V級器件，這一調(diào)整的效果是可以保證的。

圖2：15 mm高壓GaN晶體管在飽和輸出功率下的漏極效率。此效率是根據(jù)1 ms周期內(nèi)100μs脈寬（或10％占空比）的平均電流計算得出的。在雷達操作中，一般在脈沖關閉時通過柵極電路關閉器件。這一過程能夠?qū)⑸厦嫣岬降男手堤岣咂骄?個百分點。

作為一種雷達常用的工作模式，柵極脈沖可以進一步提高平均5個百分點的效率增益。這樣一來， 450W級器件的效率也得以提升，該類器件的柵極外圍僅15 mm，在150 V時效率超過80％。在這種工作方式下，器件增益遠高于22 dB，表明了 150 V級GaN技術在較高的UHF頻率以及L波段具備良好的性能，可用于脈沖雷達。

相比之下，以相同頻率工作的SiC靜電感應晶體管僅產(chǎn)生10 dB的增益，并且難以實現(xiàn)50％的漏極效率。較低的增益會帶來不良后果：需要一個額外的晶體管來驅(qū)動輸出級，從而導致電路占用空間更大，系統(tǒng)級的效率也會變低。

實現(xiàn)脈沖雷達等應用所需的更高功率的途徑是增加柵極外圍的尺寸。鑒于高初始阻抗，降低該阻抗不會有任何重大缺陷。（請注意， 已經(jīng)具有較大的柵極外圍器件的經(jīng)驗，因為在多芯片封裝中使用了更傳統(tǒng)的具有36mm柵極外圍的50 V GaN晶體管，產(chǎn)生了1kW的S波段輸出功率。在L波段， 還使用較大的芯片，其柵極外圍為50mm。）

如果將150 V器件的柵極外圍從15 mm增加到40 mm，這將變成一個可以提供超過1 kW飽和輸出功率單芯片器件。盡管負載阻抗會成比例減小，但仍略高于11歐姆，從阻抗匹配的角度來看這是非常易于管理的。此外，還有機會在單端陶瓷封裝中形成一個4 kW的四芯片器件，其輸出負載阻抗約為3歐；在雙引線封裝中形成6 kW的六芯片器件，其負載阻抗約為2歐。

除了考慮這些器件的阻抗（從阻抗匹配的角度來看，這些功率電平?jīng)]有問題）， 還必須考慮與溫度相關的問題。根據(jù) 的模型，對于以100μs脈沖和10％占空比驅(qū)動的15 mm器件，在26°C的外殼溫度下熱阻為0.5°C / W（在CW操作中為2°C / W，不推薦使用）。

當以80％的效率工作并產(chǎn)生1 kW的輸出時，提供給裸片的DC功率為1.25 kW，因此耗散為250W。這將導致在100μs脈沖時出現(xiàn)150°C的峰值結溫，這一溫度是在可靠工作范圍內(nèi)的。實際溫度將低于此溫度，因為對于1kW的裸片設計，必須延長finger的長度，而這一調(diào)整會降低熱阻。

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