L波段液冷GaN固态功放组件设计

金　明

(安徽博微长安电子有限公司，安徽 六安 237010 )

0　引　言

在现代雷达的应用中微波固态器件不断发展。固态功率晶体管广泛应用于雷达功放组件的设计中，其中氮化镓和碳化硅等一类新型的半导体材料具有临界击穿电场高、宽带隙等突出优点，显著优于一代半导体Si、二代半导体GaAs和LDMOS，被称为第三代半导体材料。[1]GaN功率晶体管成为发展较快的宽禁带器件，因为该器件具有其独特的优点：(1)沟道工作温度高(高于600 ℃)，工作温度范围宽；(2)工作效率高，远优于砷化镓器件和硅器件；(3)功率密度高，10 W/cm2以上的单元输出功率， 50 V以上工作电压；(4)阻抗高，便于宽带匹配，可实现超宽的工作带宽；(5)具有竞争力的噪声系数指标；(6)具有高的抗辐射能力。

固态雷达发射系统的一个重要组成部分就是固态功放组件。微波功率器件的发展给固态功放组件的设计提出了更高的要求：复杂的电磁兼容设计、高可靠性、大电流、高热耗。雷达固态功放组件设计师所面临的一个重点就是如何解决这些难题，确保其高可靠地工作。而固态功放组件设计的重点恰恰在于合理的电磁兼容设计、适合的平面布局、优良的电路拓补结构、良好的热设计，以及加工工艺的有效性和可靠性等。[2]

1　设计方法

1.1　技术指标

工作频段：L波段

输出峰值功率：≥1.5 kW

工作比：≤20%

带内幅度起伏：≤1dB(rms)

脉冲顶降：≤0.5 dB

信号脉冲宽度:2～330 μs

发射输出信噪比:≥60 dB

1.2　电讯设计

电讯设计的目标是1.1节中包含的技术指标。在技术指标达到的同时也必须要考虑固态功放组件内部的热设计，以及电磁兼容设计等。为了实现上述目标，固态功放组件需要电路布局完善、合成效率高效和电路拓补结构合理。本功放组件采用了3种射频功率放大模块：24 dBm高增益放大器、125 W功放模块和650 W功放模块。5 W高增益放大器的设计重点是减小带内功率起伏和顶降，确保最佳激励。125 W功率模块的设计重点为减小带内功率起伏、较高的效率。650 W功率模块的设计重点是可靠性、一致性和热设计。采用了4只峰值功率高达650 W的GaN功率晶体管并联合成，以达到大于2 000 W的输出功率要求。电路拓补结构采用1推4结构。

组件采用了3级功率放大的形式，如图1所示。10 dBm的微波小信号经过一个衰减器送至37 dBm高增益放大器，输出功率经过衰减器推动一个125 W的单管放大器，经过衰减器、隔离器降额以后该放大器降额至100 W，1分4推动4路650 W微波功率模块经合成输出不小于2 000 W的峰值功率。在板线合成器的输入端都加入了一个隔离器，目的是保护功率管稳定工作，避免负载牵引效应影响输入输出电路匹配。

第1级高增益放大器采用了L、S波段通用功放模块，主要指标如下：

工作频率：L波段

输入功率：10 dBm±3 dB

输出功率：37 dBm

脉冲宽度：0.6～450 μs

工作比：≤20%

脉冲顶降：≤0.5 dB

工作电压：+28 V(<1 A)

工作温度：-45 ℃～+55 ℃

射频可关断，控制信号：TTL电平，“1”导通，“0”关断。

为了达到输出功率不小于37 dBm的要求，综合考虑功率管的可靠性及稳定性，选择3极放大器级连，各级之间放置衰减器以备调试，输出端放置隔离器以与下一级功放进行隔离。图2为3级放大器原理框图。

4只末级功率管需要1分4的分配器和4合1的合成器。合成器的设计主要考虑几个因素：(1)合成器应有低射频插入损耗；(2)合成器各输入连接之间应有足够的射频隔离；(3)合成器不应改变功率放大器的特性；(4)合成器的可靠性要高，要远远高于发射机其他部分。本功放组件功分器采用威尔金森加电桥的形式。组件的合成器采用空气带状线的形式。相对其他合成器，空气带状线具有低损耗、高合成效率、一致性好等特点，实现了组件稳定性和高功率输出。

功放组件内具有完善的BITE电路。组件中的BITE电路功能强大，不但要检测输入功率和过/欠激励故障、过脉宽和过工作比故障、电源过压和欠压等故障，还要实现发射机的开机和关机。主电源电压过高、过低时要关断组件，组件过热时也要关断组件。功放组件前面板加了一个工作电流的测试插座。末级功率管的工作电流采样信号引到插座上可以方便判断末级功率管是否失效。为提高GaN功率晶体管的可靠性，在功率管柵压加稳压及调制电路。电路如图3所示。

1.3　电磁兼容设计

功放组件中电信号复杂多样，既有低频小信号又有大功率微波信号，既有数字量又有模拟量。不合理的设计会影响电子电路的正常工作。电磁兼容设计思 想是顺路和顺场(电场和磁场)。抑制电磁干扰的方法主要从地线设计、屏蔽设计、瞬态抑制和滤波设计3方面考虑。

功放组件的电磁兼容设计采用了下列方法：功放组件射频信号输入端到高增益功放输入端使用带金属屏蔽层的射频同轴电缆连接，有效防止组件内的电磁干扰；射频各功放模块与BITE电路用金属隔板隔离开，射频功放模块分割成多个小腔体，防止腔体效应产生自激震荡；合成器采用空气带状线的形式；功放模块级间加隔离器，保证级间隔离，同时防止驻波损坏功率晶体管。

1.4　功放组件防自激设计

与Si双极性晶体管相比，GaN功率晶体管的增益很高，可达到12 dB以上，实现了低输入、高输出、高增益，但同时增加了功放模块自激震荡的风险。因此，在设计射频放大链时，要均衡设计各级功放模块的增益，避免总增益过大影响功放模块工作的稳定性，减小自激震荡发生频率。

自激振荡的发生会使放大器处于饱和或截止工作状态，输出信号严重失真。设计师可通过以下措施抑制自激震荡的发生：射频放大链前端采取措施消除带外干扰，减小末级输出的带外噪声干扰；将功放组件分隔成一个个小的腔体，防止腔体效应带来不良影响，将射频部分和控制部分用腔体隔开，将射频大信号和小信号用腔体隔开；组件盖板贴吸波材料，有效衰减射频泄露出来的能量。

1.5　组件的热设计

为了保证功放组件能够稳定、可靠地工作，必须对功放组件进行热设计，确保功放模块能工作在稳定的温度范围内。功放组件热设计的核心是功放模块的热设计。影响功率管可靠性的重要因素是功率管的结温。良好的热设计是功率管高可靠性的保证。对固态功率晶体管来说，当结温降低10 ℃时，可靠性提高40%。功率管产生的大部分热量来自于芯片上5 μm的结点。要冷却节点必须有一个低热阻路径到达外表面和外部空气。与其他发热电路一样，如果路径中有一个高阻元件，热扩散就会受阻，结点温度会升高。热扩散的主要方向按照45°圆锥角，从结点扩散到底部边缘，最高温度在热圆锥的中心，边缘温度最高的地方在功率管模块的中心下方边缘。功率晶体管的热模型如图4所示。

随着射频半导体功率器件的发展，功率晶体管单位面积的功率不断增大，热流密度不断增大，热耗不断增加，对固态功放组件热设计提出了更高的要求。固态功放组件的热设计是雷达发射机设计的关键因素之一[3]。本固态功放组件选用的GaN功率晶体管，其单管的最大热耗可达到70 W，热流密度为35 W/cm2。在这种条件下，风冷却已经达不到热设计的要求，因此采用液体冷却设计。确定冷却媒质的流速、设计有效的水道等是本固态功放组件结构设计的难点。冷却系统的设计必须综合考虑各方面的因素，设计目标为：工作可靠，结构紧凑，既能电讯要求又能满足热设计要求，并且所用冷却代价最小。

为保证组件热设计的有效性，需要先进行组件热耗分析计算。本固态功放组件选用了1只120 W GaN功率管和4只600 W GaN功率管，其中每只600 W单管的最大热耗约为70 W，组件的总热耗为405 W，热流密度35 W/cm2。需要完成以下设计工作[4]：

(1) 合理选用材料和关键的元器件；

(2) 对关键的热耗器件进行热分析和热设计，保证它们的工作温度在合理的温度区间之内；

(3) 根据组件热耗元器件的布局和电路的布局，对水道进行合理的布局；

(4) 设计、加工功放组件的样件，用来做对比试验和测试数据；

(5) 工艺研究：防腐研究、耐压试验、材料焊接等；

(6) 重量、外形方面的轻小型化设计。

最后一级的4个功率晶体管距离比较近，其功率密度最大。固态功放组件的热路分析图如图5所示。

图5中，Tj为晶体管结温，Pc为最大耗散功率，Tc为晶体管壳温，Rb为接触热阻，Rfa为水道热阻，Ta为出水温度，Rjc为晶体管结内阻，Rr为表面辐射热阻，Rca为晶体管表面直接向空间散热热阻。[3]

一般来说，Rca≫Rb+Rfa+Rλ，Rr≫Rb+Rfa+Rλ。

总热阻

R=Rjc+Rb+Rλ+Rfa

以上4部分带来相应的温升：

Tc-Ta=Pc*(Rb+Rfa+Rλ)+ΔT

一般来说，Tλ≈3 ℃，Tfa≈3 ℃，Tb≈5 ℃～6 ℃，则

Tc-Ta≈12 ℃+ΔT

用Icepak热分析软件对功放组件进行仿真建模，与实际基本吻合。组件热分布仿真图如图6所示。

2　组件试验及测试结果

经过合理布局、精心设计，组件通过了随机振动实验、高低温实验等环境实验的考验，证明了本固态功放组件性能可靠稳定，达到了预期效果。对本组件在不同温度下的输出功率进行了测试，测试条件(占空比与脉宽)为D=13%,τ=300 μs。组件在频带内的输出功率如图7所示。由图7可看出，同一频点高温与低温的功率变化在0.4 dB以内，肯定了新型固态功放组件设计的可行性，当然与采用液冷散热设计不无关系。功放组件布局图如图8所示。

3　结束语

本文通过介绍一种新型大功率固态功放组件的设计方法，阐述了新型GaN功率晶体管的运用给功放组件设计带来的便利和挑战。GaN晶体管低输入、高增益、宽脉宽的特点使功放组件布局更加简洁可靠，其输出功率高、热流密度大的特点对组件的热设计提出了更高的要求。液冷技术的发展为功放组件的热设计提供了更为可靠的保障。通过改变冷板中水道的布局、冷却液流速及进水的温度，液冷技术可以处理热流密度近100 W/cm2的热量，保证功放组件正常工作。