基于GaN 肖特基二極管的大功率微波限幅技術(shù)研究

0背景介紹

近年來 ,強電磁武器發(fā)展迅速 ,強 電磁武器包括高空核電磁 脈沖 ( High-altitude Electro-Magnetic Pulse,HEMP)、超寬譜強電磁脈沖(Ultra-Wide Band Electro-Magnetic Pulse,UWB-EMP)、窄譜高功率微波 (High Power Mircowave,HPM)三種。高空核 電磁脈沖主要頻譜能量集中在 0. 1GHz以下,峰值場強可達50kV/m,超寬譜強電磁脈沖波形上升沿可達亞納秒級別,相對頻率帶寬可達2倍以上 ,峰值場強也能達到數(shù)十kV/m,另一種強電磁武器以發(fā)射窄譜高功率微波進行攻擊,將產(chǎn)生的高功率脈沖源進行幅度調(diào)制 ,其載波頻率可達Ku波段 ,峰值場強范圍為數(shù)kV/m 至數(shù)十kV/m。強 電磁武器 目標(biāo)進行攻擊時通過形成高能量密度的電磁環(huán)境,引起被攻擊裝備中電子器件的熱能積累、電壓擊穿等效應(yīng) ,會造成被攻擊裝備工作性能的干擾、擾亂、降級或失效^[1,9]。

針對強電磁武器的攻擊,電磁防護器件的研究和應(yīng)用尤為重要 ,微波限幅器作為主要的 電磁防護器件之一 ,主 要用于武器裝備的前門防護。隨著強 電磁脈沖武器頻率 覆蓋帶寬增加、發(fā)射功率等級提升 ,對微波限幅器要求也越來越高,目前微波限幅器主要實現(xiàn)方式有 3種 :半導(dǎo)體、等離子體及高溫超導(dǎo)體。其 中 ,半導(dǎo)體 限幅器應(yīng)用最廣泛。當(dāng)前以Si、GaAs等制備工藝為主的半導(dǎo)體限幅器發(fā)展成熟,但存在功率等級低、響應(yīng)速度慢 的劣勢 ,以GaN 為主的第三代半導(dǎo)體材料具有高擊穿 電壓、高功率、高頻率的特點^[4],因此基于GaN肖特基二極管 的大功率微波限幅器對電磁防護功率等級的提升及 電磁防護的快速響應(yīng)具有重要的應(yīng)用價值,研究意義重大。近年來,以 GaN二極管為核心器件的限幅器研究發(fā)展迅速,并且已經(jīng)逐步進入應(yīng)用階段 ,本文將從GaN肖特基二極管器件 的特點及性能優(yōu)勢、限幅電路結(jié)構(gòu)、限幅器件研究進展等方面對新一代半導(dǎo)體大功率限幅技術(shù)進行介紹^[1]。

1GaN肖特基二極管

對于相同擊穿電壓的兩種不同材料的器件,由于GaN 材料擁有更高的臨界擊穿場強,可以使用更高濃度的摻雜使電場曲線更陡峭,同時減小了漂移區(qū)寬度,更高的摻雜濃度和更窄的漂移區(qū)寬度都使得器件的開態(tài)電阻大幅降低^[2]。因此,對比傳統(tǒng)肖特基二極管,相同擊穿電壓的 GaN器件可以實現(xiàn)更低的開態(tài)電阻和更大的電流,而相同開態(tài)電阻的器件耐壓可以有數(shù)量級的提升,更加適合用作大功率微波二極管。同時,肖特基二極管是一種單電子器件,由多數(shù)載流子注入金屬形成正向電流,不會發(fā)生電子的積累,因此相比于PN 結(jié)二極管具有更好的高頻特性^[10] 。本文所介紹的 GaN微波二極管采用 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料,強自發(fā)極化與壓電極化在異質(zhì)結(jié)界面產(chǎn)生 2-DEG,具備約 10¹³/cm² 量級的電子面密度和高達2000cm²/V·s的遷移率,這些優(yōu)勢都更有利于其制作微波二極管,發(fā)展成熟的 GaN微波HEMT器件可以為結(jié)構(gòu)類似的 GaN微波二極管提供工藝兼容和技術(shù)支撐,更有利于單片集成^[1] 。GaN肖特基二極管示意圖如圖1所示。

圖1(a)所示為GaN肖特基二極管橫截面示意圖 ,該結(jié)構(gòu)在陽極金屬區(qū)域刻蝕凹槽至二維電子氣下方,由于刻蝕區(qū)域已不存在二維電子氣,該方法顯著減小了與陽極金屬的交疊面積,從而大幅減小了器件寄生 電容。同時 ,該結(jié)構(gòu)的陽極金屬與 凹槽側(cè)壁接觸形成 肖特基結(jié) ,Ga面生長的GaN側(cè)壁為非極性面 ,與 肖特基金屬間具有更小 的功函數(shù)差 ,有效減小了器件開啟電壓 ,且 肖特基結(jié)與位錯方向平行 ,電流方向與位錯方 向垂直 ,有利于減小器件漏電。該結(jié)構(gòu)的電容主要取決于 肖特基結(jié)以及 陽極搭在 凹槽邊緣部分的面積,而與陽極金屬的面積無關(guān) ,因此低 電容器件的制備對工藝特征尺寸的要求不高,大大降低了制備難度。由于陽極金屬必須完全覆蓋刻蝕凹槽,而凹槽與陽極金屬間的光刻套刻必須留有一定的工藝容差,因此該結(jié)構(gòu)設(shè)計陽極金屬半徑大于凹槽半徑,超出部分會形成搭 在凹槽邊緣 的類似場板 的結(jié)構(gòu) ,稱為overlap^[1] 。本文所 設(shè)計的GaN微波二極管 陽極采用金屬Ni/Au,陰 陽極間距為1μm,overlap為0. 3μm,其基本工藝細節(jié)可參考文獻[2] 和 [3]。圖 1(b)為 該 二 極 管 在 線 性 坐 標(biāo) 下 的I_F-R_on -V_F測試曲線,實測此器件可實現(xiàn) 1. 38Ω·mm的低導(dǎo)通電阻(最小微分正向?qū)娮?、1. 05的理想因子(n)和 0. 83V的導(dǎo)通電壓。此外,在 3V 的電壓偏置下實現(xiàn)了1. 14A/mm的正向電流,在 4V的偏置下實現(xiàn)了 1. 3A/mm 的正向電流,使得該器件具有強大的電流處理能力。結(jié)電容Cj和截止頻率 ?_T與電壓的關(guān)系如圖 1(c)所示,從曲線中可以得到器件 0. 65pF/mm的低零偏壓結(jié)電容和 177. 4GHz的高截止頻率(定義為?_T=1/(2π×R_on×C_j0))。反向電流-電壓(I_R-V_R)電因數(shù)(J-FOM=?_T×BV)。高I_F、BV和 ?_T以及低R_on、V_on 和C_j0 為高功率、高頻率的微波限幅模塊設(shè)計奠定了基礎(chǔ)^[11]。

2 基于GaN肖特基二極管的限幅器研究進展

GaN肖特基二極管具有高耐壓、大 電流、驅(qū)動強、響應(yīng)快等技術(shù)特點,基于這些優(yōu)勢,以GaN肖特基二極管為核心器件的限幅器電路可以進一步提高耐功率等級及響應(yīng)時間,本文將介紹以此為基礎(chǔ)的限幅電路設(shè)計。

2. 1 限幅器原理及電路類型

限幅電路的核心器件為限幅二極管,不同二極管的工作特性各不相同,基于二極管組成的限幅電路工作原理也有所差異。主要的限幅工作原理分為 3種 :整流二極管的整流限幅、變?nèi)荻O管 的變?nèi)?限幅和利用PIN 二極管 的射頻電導(dǎo)調(diào)制限幅。整流限幅的結(jié)構(gòu)通常為兩個整流二極管相對并聯(lián)放置在傳輸線上,利用二極管導(dǎo)通產(chǎn)生的削波效應(yīng)使負載電平穩(wěn)定在某一定值,起到限制輸入信號功率的效果。射頻電導(dǎo)調(diào)制限幅主要通過PIN二極管的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)來實現(xiàn)。當(dāng)輸入信號為高功率微波信號時,在信號的正半周期內(nèi),PIN二極管兩側(cè)的載流子會在電壓作用下向I層注入。當(dāng)信號變?yōu)樨摪胫芷跁r ,I層 內(nèi)的載流子不能完全漂移出 I層或復(fù)合 ,這使得I層中的載流子不斷積累 ,I層由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài) ,此時微波信號通過主鏈路時會有較大的反射,從而起到限幅作用。變?nèi)菹薹抢米內(nèi)荻O管的結(jié)電容隨著二極管兩端 電壓變化的特性 ,當(dāng)輸入信號功率較小時 ,二極管的 電容幾乎不發(fā)生變化 ,電路諧振使信號幾乎可以無損通過 ;當(dāng)輸入信號功率較大時 ,變?nèi)荻O管的結(jié)電容會增大 ,電路失諧使高功率信號反射回去,起到限幅作用^[7-8] 。按照電路結(jié)構(gòu),可以將限幅電路分為無源限幅電路、有源限幅電路和半有源限幅電路。限幅器電路架構(gòu)如圖 2所示。

如圖2(a)所示 ,無源 限幅 電路通常為二極管對管并聯(lián)或二極管與扼流電感并聯(lián),其中電感為二極管提供直流偏置。當(dāng)輸入小信號時 ,二極管可以看作 電容 ,與 電感構(gòu)成并聯(lián)諧振,使信號幾乎無損通過;當(dāng)輸入大信號時,二極管等效為低阻抗電阻 ,此時電路不再諧振 ,而是通過失諧來反射入射功率 ,達到限制輸出功率的 目的。無源限幅電路結(jié)構(gòu)簡單 ,不用額外添加外置 電路 ,但 由于其工作特性完全依靠限幅二極管自身特性,無源限幅電路的起限電平和限幅能力很難滿足大功率輸入下的應(yīng)用需求。圖2(b)所示為傳統(tǒng)的半有源限幅電路結(jié)構(gòu),其原理是通過給大功率SiPIN限幅二級管提供直流偏置,以此來降低電路的起限電平,提高電路的限幅能力。當(dāng)輸入高功率微波信號時,半有源限幅電路通過耦合器耦合出一小部分能量,這部分能量通過檢波二極管的作用將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號,為大功率SiPIN限幅二極管提供直流偏置,半有源限幅電路通過耦合檢波部分提供直流偏置,提高電路限幅能力,不用額外添加外置電路,不易受環(huán)境因素的影響,結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。有源限幅電路是通過提供外置的電壓源對大功率的SiPIN進行偏置,添加了外置電路,結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,且需要提供全天候供電,故應(yīng)用較少。

2.2使用GaN二極管的X波段3000W 限幅器

借助GaN肖特基二極管性能優(yōu)勢 ,使用半有源限幅電路結(jié)構(gòu) ,在8~10GHz頻段設(shè)計了一款單路峰值耐功率 3000W(5μs/5‰)大功率限幅器。

2.2.1器件選型

X波段 3000W 限幅器采用耦合檢波形式的半有源限幅電路拓撲結(jié)構(gòu),主鏈路限幅管采用 Si基 PIN管,全鏈路采用三級限幅結(jié)構(gòu),第一級 Si PIN管采用耦合檢波鏈路實現(xiàn)半有源限幅,第二/三級采用 Si PIN形式的無源限幅電路,第一級半有源限幅 Si PIN耦合檢波部分采用一只 GaN肖特基二極管為 Si PIN管提供驅(qū)動,其電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3所示。

在實 際設(shè)計 中 ,第一/二/三級器件分別采用Sky-works公司 CLA4607、CLA4604、CLA4601三種 Si PIN 限幅二極管 ,均為裸芯。第一級Si PIN的設(shè)計主要是根據(jù)輸入功率大小及脈沖參數(shù)綜合計算并考慮降額后確認所需管芯數(shù)量,第二/三級 Si PIN主要是對第一級限幅后的漏功率進行進一步限幅,提升系統(tǒng)隔離度并將尖峰泄露電平降至指標(biāo)范圍內(nèi)。

根據(jù)Si PIN二極管的限幅原理 ,當(dāng)二極管并聯(lián)接入微帶且 R_D? Z_O時,吸收功率可由式(1)確定。

P_diss=4R_DP_IN/Z_o(1)

式中,Z_O為端口特性阻抗,R_D為 P_IN二極管導(dǎo)通總電阻,P_diss為二極管吸收功率,P_IN為輸入功率。

若 N個二極管并聯(lián)等分射頻功率 ,則能承受 的最大功率 P_max由式(2)決定^[5-6]。

P_max=N²Z_OP_diss/4R_D(2)

選用的第一級 Si PIN射頻參數(shù)如表 1所列。

在連續(xù)波注入條件下,Si PIN的吸收功率Pdiss與二極管的連續(xù)波瞬態(tài)熱阻θ_LO關(guān)系如下:

Pdiss=175-T_O/θ  (3)

式中,T_O為環(huán)境溫度。

根據(jù)脈沖參數(shù)及圖4所示不 同脈寬下的熱阻歸一化系數(shù),結(jié)合式(4),可以計算得到等效連續(xù)波功率常溫條件的瞬態(tài)熱阻 θ。

θ=DF×θa +θp (4)

式中,DF表示脈沖信號占空比,θa為連續(xù)波時器件熱阻,θp為相對于 1μs脈寬的歸一化系數(shù)^[6](可從圖 4中讀取)。

根據(jù)式(2)可進一步計算得出N=4,為保證設(shè)計裕

ISO=20log(Z_ON/2R_s)  (5)

根據(jù)第一級Si PIN管數(shù)量及其正 向?qū)?電 阻 , 由式(5)計算得到第一級 SiPIN隔離器可以提供39. 9dB隔 離度。在輸入功率峰值為65 dBm時 ,綜合考慮尖峰泄 露、限幅器的響應(yīng)時間及后級SiPIN的耐功率指標(biāo)等 ,在第一級 SiPIN限幅器后增加兩級小功率Si PIN管(均為單管芯并聯(lián)) ,以保證整個系統(tǒng)滿足限幅電平要求。

當(dāng)?shù)谝患壥褂肧i PIN器件的數(shù)量增加時 ,對傳統(tǒng)二極管的帶載能力提出了更高要求,通常情況下千瓦級以上限幅器需要在耦合通道使用多只檢波二極管才能完成對第一級Si PIN的驅(qū)動 ,本文中前述 內(nèi)容介紹了GaN二極管的優(yōu)勢是正向電流大 ,帶載能力強 ,因此本文設(shè)計的大功率限幅器在耦合通道檢波采用單只GaN微波肖特基二極管就可 以滿足SiPIN需要 的帶載能力 ,實際設(shè)計中首先對GaN 微波二極管的檢波能力進行了測試 ,如圖5所 示,在輸入30dBm時,頻帶內(nèi)輸出直流電流大于200mA,可滿足第一級 Si PIN驅(qū)動要求。

2.2.2電路仿真、加工及組裝

借助ADS電磁仿真軟件對 電路進行建模 ,如 圖6所示 ,仿真電路中分別將SiPIN、GaN肖特基二極管進行了Spice建模 ,電路介質(zhì)基板選擇散熱性能 良好 的AlN陶 瓷 ,板材厚度為 0. 254mm,介電常數(shù)為 8.6。

圖7為插損及輸入輸 出駐波仿真結(jié)果 ,頻帶 內(nèi)插損S21 小于0. 28 dB,輸入端 口1及輸 出端 口2駐波VSWR小于1.55。

圖8(a)為完成電磁仿真優(yōu)化后的電路加工版圖,采用一版化設(shè)計方案,加工前配合實際組裝時鏈路所用器件進行圖紙預(yù)組裝 ,并在主鏈路兩側(cè)預(yù)留調(diào)試位置 ,實際加工版圖面積為6mm×4mm。

完成電路板加工后進行測試前組裝 ,將隔直電容、二極管等器件與陶瓷基板電路、陶瓷基板電路與鉬銅熱沉分別用金錫或?qū)щ娿y漿進行粘接,鏈路上器件與微帶線連接采用金絲或金帶鍵合的方式,初步組裝后的電路與測試夾具完成最終裝配。圖 8(b)所示為限幅器完整測試模塊。

2.2.3模塊測試

使用矢網(wǎng)對限幅器小信號參數(shù)進行測試,圖9所示為測試與仿真結(jié)果對比,在設(shè)計頻段8~10GHz帶內(nèi),插損測試值<0. 68dB,與仿真值相 比惡化0.4 dB左右 ;駐波<1. 85,與仿真值相比惡化 0.3。

圖10所示為千瓦級大功率測試平臺 ,主要 由信號發(fā)生器、調(diào)制信號源、大功率行波管功放、示波器等組成 ,該測試系統(tǒng)可用于大功率限幅器的耐功率測試,將輸入及輸出待測器件的信號電平進行示波器采樣后判斷模塊損毀情況。實測所設(shè)計加工模塊在65 dBm(5μs,5‰)輸入信號下限幅電平平坦值<20dBm。

2.3 使用GaN二極管的寬帶大功率自檢波限幅器

半有源限幅方案 中通常使用耦合器將部分輸入信號耦合整流后給第一級PIN管提供導(dǎo)通 電壓 ,在實際 電路設(shè)計中可以通過調(diào)節(jié)耦合器的耦合度進而控制進入檢波管的射頻功率 ,保證檢波管工作在合適的功率范圍 內(nèi) ,以往采用的耦合器檢波方案主要是避免大功率信號對檢波管的損傷。但在低頻段限幅方案中,耦合器的小型化是設(shè)計難點之一,因此如何減小耦合器尺寸即整個電路版圖面積是研究重點之一。為彌補低頻段耦合檢波半有源限幅器尺寸大的固有缺陷,提出了基于自檢波架構(gòu)的寬帶大功率限幅電路的基本結(jié)構(gòu),如圖11所示。其相對于耦合檢波結(jié)構(gòu)主要區(qū)別包括:電路結(jié)構(gòu)上不使用耦合器;使用的 GaN SBD 直接并聯(lián)到主鏈路上檢波實現(xiàn) Si PIN管所需的導(dǎo)通電壓。這種方案稱為基于 GaN二極管的自檢波限幅器方案。

結(jié)合圖11所示電路結(jié)構(gòu) ,對 自檢波架構(gòu)限幅原理進 行詳細介紹。當(dāng)輸入信號為小信號 的情況下 ,GaN 微波 二極管未導(dǎo)通 ,因此并聯(lián)檢波 網(wǎng)絡(luò)也不 向第一級PIN管提供偏置電壓 ,第一級 PIN管不開啟 ,輸入信號可低插損通過。當(dāng)輸入信號達到GaN 微波二極管 的 閾值 電壓時 ,GaN微波二極管開啟 ,在GaN微波二極管開啟后輸入信號在通過主路時 ,GaN微波二極管會通過本身 的二極管整流功能將輸入的射頻信號生成為正電壓信號,該正電壓即為第一級 Si PIN導(dǎo)通所需的偏置電壓。在并聯(lián) GaN微波二極管偏置 電壓超過第一級PIN 二極管 的導(dǎo)通 門 限 時 ,使得 PIN二極管正向?qū)ú⒊尸F(xiàn)低阻態(tài) ,整個射頻鏈路阻抗失配,大部分射頻功率因失配被反射回去,從而達到限幅的目的。自檢波限幅方案的設(shè)計優(yōu)勢在于通過直接并聯(lián) GaN微波二極管的形式,省掉現(xiàn)有檢波網(wǎng)絡(luò)中的耦合器,降低了電路設(shè)計的復(fù)雜度并提升了射頻電路的頻率帶寬。

在自檢波限 幅器 的實際設(shè)計過程 中 ,GaN 微波二極 管自檢波結(jié)構(gòu)通常作用于限幅器的第一級Si PIN管。根據(jù)限幅器的輸入信號類型及耐功率大小 的 區(qū)別 ,GaN微波二極管可以位于第一級Si PIN管前后不同的位置。當(dāng)其位于第一級SiPIN之前 時 ,射頻輸入信號先作用 于GaN微波二極管 ,因此在輸入信號較低時 ,檢波二極管就可以輸出足夠大 的 電壓使PIN管導(dǎo)通 ,這種結(jié)構(gòu)在保持限幅器低起限功率的同時,可以將限幅器的最終輸出功率維持在很低的電平。當(dāng) 自檢波結(jié)構(gòu)位于第一級PIN之后時 ,射頻輸入信號在經(jīng)過第一級Si PIN之后再作用 于GaN微波二極管 ,這種結(jié)構(gòu)可以避免GaN微波二極管過早擊穿,大幅提升限幅器耐功率等級。

基于自檢波架構(gòu)設(shè)計了一款可覆蓋 0. 1~7GHz波段的限幅模塊,實測在 0. 1~1GHz頻段內(nèi)插損小于 0.5dB,在0. 1~7GHz頻 段 內(nèi)插 損 小 于1.55dB。在1GHz和6GHz頻點輸入連續(xù)波耐功率分別為100W和50W,測試結(jié)果如圖12(b)所示。

圖13所示為 0.1~7GHz自檢波與2~6GHz耦合檢波兩種限幅方案實物對比 , 實際電路面積減小了 約40%,使用自檢波架構(gòu)限幅方案可以進一步減小器件封裝和測試夾具的尺寸,利于小型化應(yīng)用。

2.4 全GaN肖特基二極管超快響應(yīng)限幅MMIC

作為強電磁武器類型之一的超寬譜強電磁脈沖,其波形上升沿可達亞納秒級別,被攻擊設(shè)備中的電磁防護器件需要極快的響應(yīng)時間才能對超寬譜強 電磁脈沖的亞納秒級攻擊起到有效的防護作用。近年來,對于快上升沿脈沖攻擊信號的防護研究成為了限幅器研究的重點,目標(biāo)是使限幅器的響應(yīng)時 間盡量縮短 ,以滿足亞納秒電磁防護需求。肖特基二極管是一種多載流子器件 ,當(dāng)信號作用時 ,可以快速反應(yīng),相對于傳統(tǒng)的 GaAsPIN及 SiPIN限幅響應(yīng)更快,為了驗證全GaN肖特基二極管限幅MMIC的性能 ,尤其是需重點關(guān)注的響應(yīng)時間問題 ,本文進行了相關(guān)電路設(shè)計并流片進行了測試驗證^[7][10]。

全GaN肖特基二極管 限幅MMIC 的設(shè)計仿真采用前述提到的無源限幅架構(gòu),利用二極管的單向?qū)щ娦允剐盘栐陬A(yù)置的電平范圍內(nèi)有選擇地傳輸一部分,即按限定的范圍削平信號電壓波幅。采用SBD對管形式的雙向限幅電路可以對微波信號的正半周期和負半周期都進行限制,增加限幅器隔離度。使用ADS軟件設(shè)計 了一款全GaN 肖特基二極管限幅電路 ,包括三級限幅結(jié)構(gòu) ,每一級均為對管形式 ,這樣的連接方式可以保證在微波信號輸入時 ,每一級始終有一只二極管處于導(dǎo)通狀態(tài),實現(xiàn)全周期內(nèi)的限幅功能。所設(shè)計三級限幅結(jié)構(gòu)的開啟電壓也逐級遞減,這樣可以保證大功率輸入信號下限幅功率逐級遞減,以保證限幅電平。每級的開啟電壓遞減是通過在該級 串聯(lián)不同數(shù)量的二極管實現(xiàn)的,本電路中第一/二/三級限幅結(jié)構(gòu)中串聯(lián)二極管的數(shù)量分別為 3/2/1。

設(shè)計完成后進行流片 ,圖14(a)所示為完成流片及減薄的限幅芯片組裝后的測試夾具。對限幅芯片的小信號和限幅功能進行 了測試 ,測試結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較好,實測在 DC 8GHz頻段內(nèi)插損小于1. 5dB,圖14(c)所示為在10W 連續(xù)波條件下的限幅電平測試 ,分別測試了 2GHz/5GHz/8GHz三個頻點的輸出功率曲線,在輸入功率為 40dBm時 ,各頻點限幅電平在15dBm以下。

針對全 GaN肖特基二極管限幅器更關(guān)注于其響應(yīng)時間指標(biāo),本文進一步搭建了基于高速采樣示波器的響應(yīng)時間測試環(huán)境 ,對限幅器的響應(yīng)時間進行評估。圖15所示為響應(yīng)時間測試組網(wǎng)示意圖及實際測試環(huán)境,信號發(fā)生器產(chǎn)生一定脈寬和占空比的信號后經(jīng)固態(tài)功放進行放大,分別在被測限幅器的輸入/輸出端 口進行信號的采樣 ,根據(jù)采樣示波器讀取的射頻信號限幅前后的信號幅度及包絡(luò)變化對輸入及輸出信號進行區(qū)別,通過對比限幅前后射頻信號的時域差測試得出限幅器的響應(yīng)時間。組網(wǎng)中所選用的示波器型號為MS064B(廠家為 Tektronix)。

響應(yīng)時間測試前對測試組網(wǎng)中的耦合器等無源模塊的 延時進行了響應(yīng)時間的評估,進一步減小了測試誤差。圖 16所示為實際的響應(yīng)時間測試結(jié)果,圖中①黃色采樣信號為限幅器輸入信號,紅色信號為限幅器輸出信號,對脈沖上升沿部分的響應(yīng)時間進行局部放大,可以看到在限幅輸入功率為40dBm時,其響應(yīng)時間為 938ps,達到亞納秒級別。

3基于GaN肖特基二極管限幅器的下一步研究展望

基于第三代半導(dǎo)體技術(shù)的大功率雷達系統(tǒng)正在發(fā)揮越來越大的作用 ,得益于信號調(diào)制技術(shù)的發(fā)展、器件耐功率等級的提高、天線性能的優(yōu)化以及天線單元相位控制精度的提高 ,雷達發(fā)射功率得到數(shù)量級的提升 ,探測搜索距離及準(zhǔn)確度越來越先進。雷達發(fā)射端能力的提升 同時對信息化武器的接收端也提出了更高的要求,強電磁武器攻擊及自身發(fā)射系統(tǒng)大功率信號泄露造成的損傷威脅也越來越大。限幅器作為接收端電磁防護的主要器件之一,在保證雷達系統(tǒng)正常工作的同時,對強干擾信號可以做到有效的 自適應(yīng)防護。

本文前述部分介紹了基于新一代GaN肖特基二極管限幅器的研究進展 ,結(jié)合GaN肖特基二極管器件技術(shù)進行深入探索。未來將在以下方面繼續(xù)開展新一代限幅器開發(fā)相關(guān)工作 :結(jié)合 GaN肖特基二極管的性能優(yōu)勢,開展萬瓦級以上限幅器的研究和開發(fā),以現(xiàn)有半有源架構(gòu)為基礎(chǔ),結(jié)合大耦合檢波方案,配合使用大功率等級SiPIN器件搭建多個頻段的超大功率限幅模塊 ,同時在GaN二極管器件仿真模型非線性建模、器件及 電路散熱、大功率擊穿特性研究、大功率組裝工藝等方面實現(xiàn)重點突破 ;開展 以 GaN及第四代半導(dǎo)體材料二極管為基礎(chǔ)的 自檢波異構(gòu) 集成方案研究 ,以大功率等級限幅器為研究基礎(chǔ) ,通過工藝集成、組裝方案研究、熱設(shè)計優(yōu)化等實現(xiàn)限幅器模塊 的小型 化、寬 帶 化、低 插 損 ; 繼 續(xù) 開 展 全 GaN無 源限 幅 MMIC研究,進一步挖掘全 GaN限幅MMIC在響應(yīng)時間 上的優(yōu)勢 ,進 一 步 提 升 耐功率等級,并將全GaN限 幅 MMIC與半有源及自檢波等大功率方案進行結(jié)合,在限幅模塊綜合響應(yīng)指標(biāo)上進行優(yōu)化,同時配合低噪聲放大器開展全GaN限放模塊的開發(fā)。

4結(jié)論

本文從限幅器的應(yīng)用背景和作為防護器件的重要性出發(fā) ,介紹了限幅器原理及限幅器 電路結(jié)構(gòu)相關(guān) 內(nèi)容 ,進一步結(jié)合在 GaN肖特基二極管上的研究進展對本文基于GaN肖特基二極管的大功率微波限幅技術(shù)進展進行了介紹 ,并對基于GaN肖特基二極管限幅器的下一步研究重點進行了展望。

利用GaN肖特基二極管性能優(yōu)勢 ,本文開發(fā)了X波段3000 W限幅功率模塊 ,驗證了GaN 二極管配合大功率 SiPIN可實現(xiàn)優(yōu)異的限幅性能;使用GaN二極管配合實現(xiàn)的 自檢波半有源方案限幅電路,可在0.1~7GHz頻段內(nèi)實現(xiàn)寬帶限幅 ,相對于傳統(tǒng)的耦合檢波方案 ,電路面積減小約 40%;在全GaN二極管限幅MMIC研究方面 ,主要驗證了 GaN二極管無源限幅方案在響應(yīng)時間上的優(yōu)勢,為亞納秒級電磁防護方案提供借鑒。下一步本文將依托GaN二極管相關(guān)技術(shù)及器件的研發(fā) ,繼續(xù)開展多個頻段的萬瓦級限 幅方案、異構(gòu)集成小型寬帶化方案 以及全GaN限幅及限放模塊的研究。基于GaN肖特基二極管的大功率微波限幅技術(shù)在耐功率等級、寬帶小型化、響應(yīng)時間等方面已經(jīng)表現(xiàn)出整體優(yōu)勢,本文將繼續(xù)圍繞強電磁防護需求開展相關(guān)工作。

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2025年第1期第1篇