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，通過去除封裝，可以節(jié)省開發(fā) HPA 的成本。通過在氮化鋁 (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?；宓暮穸扰c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)過最優(yōu)化、測(cè)量并定性。2

　　輸入/輸出設(shè)備阻抗經(jīng)過商用向量網(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)。

作者：Pierre Bertram，Ph. Eudeline