用电子可重新配置GaN彻底改变雷达设计
功率放大器

这篇文章最早出现在微波产品消化。

现代雷达系统被配置为多频带雷达，可以在各种环境中使用多个频带和目标条件来解释复杂的场景。这些系统提供了前所未有的性能水平和能力来检测和跟踪敌对目标。例如，双频雷达（DBR）是美国海军车队中的第一个雷达系统，能够同时运行两个频段（S / X波段），由单个资源管理器协调[1]。S波段信号对恶劣天气和大气衰减具有耐受性。另一方面，X波段频率通常用于高度解决的目标成像。大多数电流功率放大器（PAS）不适用于多频带雷达系统，因为所需的频带相差很远，并且在每个目标频带处优化各个PAS。通过在各个PA MMIC之间切换，有几种方法来实现宽带或多频段特征。这些方法使用宽带非均匀分布式PA（NDPA）覆盖带或双通带功率放大器设计。

与宽带放大器相比，可重新配置PA的益处更明显。在宽带放大器设计中，负载阻抗通常被设计为低于最佳负载目标，以实现高输出网络带宽。宽带放大器具有降低的输出功率和功率增加效率（PAE）。因此，合成最佳负载阻抗的能力是可重新配置PA设计的关键。结果是能够增加放大器场效应发射器（FET）外围，最大化热限制内的输出功率。这些设计原则已在Qorvo的新产品中实施，QPA0007.。QPA0007是一种使用Qorvo的150 nm栅极长度GaN HEMT工艺技术（QGAG15）的30瓦S / X波段可重新配置功率放大器。概述宽带和传统多频带方法的可重新配置放大器比较图1。

图1：多频段功率放大器前端比较

过程和包装技术
Qorvo的QGan15工艺技术非常适用于X波段高功率PA设计。它提供具有高栅极的快速晶体管，以防止高功率应用的击穿。QGan15为不同电路应用提供多个进程选项。如果是QPA0007.，实施专有的过程技术以改善设备和电路性能。顶部金属层的使用使得能够使用较窄的输出匹配痕迹，在保持金属电流密度设计规则的同时显着降低物理区域。输出网络损耗对金属厚度不太敏感。在X波段，使用钝化可降低电路性能，但可以使用经济高效的包装。在模具上使用钝化层的二次益处是它有助于与仅使用超模包的没有钝化，有助于FEER和被动网络建模精度。通过使用更昂贵的空腔包来消除钝化的需要，可以实现更高的电路性能。

QPA0007采用成本效率超模过呈现的7mm x 6mm电镀散热器（PHS）封装技术。PHS封装非常灵活地设计，并提供设计人员在用于中输出功率器件下的模具下的良好热路径。宽输入和输出连接和宽大的焊盘间距使得高收益率PCB附件。在评估板（EVB）上，控制销以及栅极引脚可以从顶部或底侧连接。需要从两侧连接的强大的排水连接。QPA0007封装引脚放入和占用脚印以及评估板图2。

图2：QPA0007 PHS包和评估板

电路设计
基本上，QPA0007是一个两级无功匹配功率放大器。通过片上电平移位器调节开关FET偏置电平来控制可开关电容和电感实现频带开关。每个网络都被设计为独立地保持两个频带的最佳负载。与特定频段的设计相比，这需要小的权衡。输出网络损耗是关键的设计参数之一，并受到开关损耗的影响。幸运的是，与在PA输出有一个单独的频带选择开关相比，这些开关损耗是很小的。不仅从整体损耗的角度，而且从复杂性和大小的角度来看，调谐开关的数量都是最小的。一般情况下，为了实现低的开关损耗，开关外围往往变大，因此关电容量高。关断电容对开关元件的效率起着重要的作用。这就限制了输出网络中可切换并联电容器的可用性。 Typically, tuning inductance is much larger at S-band than at X-band. In the signal path, it is not worth using series switches to tune series inductance due to extra switch loss, but rather make small compromises in achieving close to optimum load target.

与输出网络相比，设计环境对于竞争匹配网络而言不同。竞争网络是带宽和空间约束而不是损耗受限的空间。因此，可以在多个地方使用较小的开关以实现最佳负载目标。

在比较输出和级间网络时，输入网络具有由于放宽要求和具有更多开关和控制信号的空间，具有最大的灵活性。输入和级间网络都在放大器稳定性性能中发挥作用。添加了额外的损失以保证在宽的操作条件下的稳定性，特别是在极冷的条件下。调谐电容器和FET端子设计用于承受最大输入驱动器的高压站波比（VSWR）负载条件，以避免击穿。

最后，整体设计挑战是限制S带小信号增益，同时不会破坏X波段增益。通过较低的频率FET性能有助于S波段性能，但是通过延长低端带宽而不会牺牲X波段性能的限制。即使使用可切换的调谐元件，这也是一个真正的挑战。

表现
QPA0007被调整为覆盖S频段3.1-3.5 GHz和X频段9-11 GHz。两个带切换信号对于S波段和-10 V和0V，对于X波段，两个带切换信号是互补的0 V和-10 V.根据频带选择，控制信号绘制或接收5 mA。

QPA0007静态偏置从26V的700 mA。由于输入功率驱动漏极电流，输出功率和PAE高度独立于静态偏置电流。因此，可以基于小信号增益和切换时间等其他性能参数来设置静止偏置电流。

所有报告的测量结果都是从校准到QPA0007输入和输出引脚的生产EVB中获得的。测量的小信号增益对于S波段为27dB，25°C的X波段的23dB。小信号增益中的这种差异反映了频带跨越FET性能的变化。对于X波段，输入返回损耗高于20 dB和10 dB。测量的S参数显示在图3。

图3：QPA0007 S / X波段S参数

在s波段，QPA0007输出功率为45 dBm, PAE为48%。最佳工作点的大信号增益为21 dB，增益为2.6 A。x波段输出功率为44.5 dBm, PAE为32%。大信号增益为18.5 dB绘制3.6 A。这些结果是用100µs/ 1ms漏脉测量得到的。S/ x波段大信号性能图如图所示图4

图4：S / X波段输出功率和PAE

谐波已被测量为50欧姆负荷。S频段第二次谐波低于-25 dBc和第3次谐波-25 dbc。X频段2nd和第3次谐波分别为-35 dbc和-55 dBc。

QPA0007已经测试了小信号，并且在-40°C下的VSWR 10：1负载的驱动稳定性。设备稳健性已通过极端输入驱动器测试到VSWR 3：1在85°C下载，而无需任何性能下降。

开关时间可分为两组:不带开关的射频信号开启和带同时开启射频信号开启。在实际应用中，可能不需要同时开启射频的频带切换，但这说明了该设备的能力。带内开关时间小于100毫安秒。同时开启射频的频带开关小于1µs。在这两种使用场景中，射频关闭几乎是瞬时的。

在100μs脉冲宽度和1ms脉冲周期内，S波段处的功耗为40W，x波段为70W。可以通过使用漏极脉冲或RF脉冲来完成脉冲。这种类型的脉冲特性使装置结温于85℃的底板温度低于长期可靠性限制。已经完成综合热分析以验证基于测量数据的热结论。QPA0007完全生产有资格的MSL 3和HBM 250V等级。测量的EVB结果总结在表1。

	S-band.	x波段
频率	3.1 - 3.5 GHz	9 - 11 GHz
输出功率	45 dBm（32W）	44.5 dbm（28W）
PAE.	47％	32％
小信号增益	27分贝	23 dB.
大信号增益	20.5 dB.	18.5 DB.
输入退回损失	20 dB.	10 dB.
输出回报损失	9 DB.	5 dB.
偏见	0.7a @ 26v.	0.7a @ 26v.

表1：QPA0007测量数据性能摘要

概括
本文演示的可重新配置的多频段功率放大器方法具有明显的优势，在传统的带开关功率放大器前端具有明显的优点。基于该专利技术的Qorvo的QPA0007首先是在行业中，在使用相同设备的S / X波段中展示改进的输出功率和效率性能。此外，QPA0007还为客户提供具有成本效益的大容量包装的竞争形式因素。

致谢
作者要感谢Terry Hon，Paul Prudhomme，Gregory Clark，Sujo Vegus，Gary Petree和Reilly Martinez的个人贡献和出色的支持。

参考：
[1]https://www.raytheon.com/capabilities/products/dbr
[2] Campbell，C. F.等人。“电子上可重构的匹配网络。”2018年12月25日发布的美国专利10,164,587。
[3] Campbell，C.F.，Kobayashi，K. W.和Lee，C。“一个可重构的S / X频段25W GaN功率放大器MMIC”，2019 Gomac-Tech。
[4]http://imapsne.org/virtualCDs/2019/2019%20Presentations/C/C2.pdf