封裝了硅晶體管裸片的S波段功率放大器(上)

雷達(dá)系統(tǒng)需要功率較高但是價(jià)格適當(dāng)?shù)墓虘B(tài)高功率放大器 (HPA)。有效的、低成本HPA 的設(shè)計(jì)對(duì)于昂貴的高頻、封裝式晶體管設(shè)備而言特別是一個(gè)挑戰(zhàn)。但是，通過(guò)去除封裝，可以節(jié)省開(kāi)發(fā) HPA 的成本。通過(guò)在氮化鋁 (AlN) 基板上安裝裸露的硅晶體管晶片，并用低成本塑料封裝來(lái)保護(hù)設(shè)備，組裝成一個(gè)S波段HPA，可以提供基于封裝晶體管的設(shè)計(jì)性能，卻只花費(fèi)其成本的一小部分。

在S波段HPA 的設(shè)計(jì)中需要考慮多種因素。第一種方案是使用最高功率密度的晶體管來(lái)獲得給定尺寸放大器所可能具有的最高輸出功率。使用最新的晶體管技術(shù)，如果是硅LDMOS、碳化硅 (SiC) 或鎵氮化物(GaN)，均比較昂貴。第二種方案(較低成本)是依賴(lài)當(dāng)前的晶體管技術(shù)，以這樣的方式設(shè)計(jì)放大器以減小其尺寸和成本，同時(shí)維持較高的輸出功率。

第二種方案應(yīng)用于100WS波段雷達(dá)HPA的設(shè)計(jì)中。

HPA 采用三級(jí)串接配置設(shè)計(jì)(圖 1)。低成本硅雙極型晶體管晶片 (Class C bias) 用于每一級(jí)，HPA 性能目標(biāo)是以 S波段 的400-MHz 帶寬中10% 的頻寬比，在 300-?s 脈沖0.6W輸入功率時(shí)獲得100W典型輸出功率。與單獨(dú)的晶體管不同，最終(輸出)級(jí)由兩個(gè)晶體管與一個(gè)Wilkinson 分配器/耦合器組成。該布局提供了各極之間的高度隔離，從而獲得高可靠性。為了保持HPA體積小巧(75×23毫米)，未使用極內(nèi)隔離器。

硅雙極型功率晶體管常常以陶瓷或塑料封裝提供，以便于機(jī)械或環(huán)境保護(hù)并便于熱量發(fā)散。陶瓷封裝通常焊在銅鎢 (CuW) 基片上。通過(guò)將晶體管晶片固定在 AlN 基板上，可以實(shí)現(xiàn)良好的機(jī)械完整性。基板的厚度與放大器的 Duroid 基底厚度相同，兩者均固定在鋁基片上以便熱量順利地發(fā)散(圖 2)。

基板包含輸入和輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。無(wú)毒的AlN材料極好地支持高功率脈沖晶體管的熱量發(fā)散，同時(shí)在共基極配置中提供基片(接地片)和雙極型晶體管晶片之間需要的電隔離。此布局通過(guò)使集電極連接在底板上，行成與晶體管晶片最佳可能的集成。

盡管在放大器的第一級(jí)和第二級(jí)中使用了不同的晶體管晶片，但是仍為兩極設(shè)計(jì)了公用基板以便簡(jiǎn)化產(chǎn)品并節(jié)省成本。第一級(jí)采用兩個(gè)較小的晶片，而第二級(jí)則采用單個(gè)大型晶片。為了使成本最小化，使用的阻抗匹配盡可能地簡(jiǎn)單，沒(méi)有采用額外的電容器并且未使用不必要的基板資源。實(shí)際上，如果為了進(jìn)一步的集成和成本節(jié)省，基板可以改為更小。若僅需滿足其特性，可以將基板焊到銅基片上。利用滿負(fù)荷測(cè)試工作臺(tái)，所有的晶體管都經(jīng)過(guò)最優(yōu)化、測(cè)量并定性。2

輸入/輸出設(shè)備阻抗經(jīng)過(guò)商用向量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量，分析儀使用基于定制的微帶校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)套件的 short-open-load (SOL) 技術(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。