封装了硅晶体管裸片的S波段功率放大器(上)

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　　雷达系统需要功率较高但是价格适当的固态高功率放大器 (HPA)。有效的、低成本HPA 的设计对于昂贵的高频、封装式晶体管设备而言特别是一个挑战。但是，通过去除封装，可以节省开发 HPA 的成本。通过在氮化铝 (AlN) 基板上安装裸露的硅晶体管晶片，并用低成本塑料封装来保护设备，组装成一个S波段HPA，可以提供基于封装晶体管的设计性能，却只花费其成本的一小部分。
　　在S波段HPA 的设计中需要考虑多种因素。第一种方案是使用最高功率密度的晶体管来获得给定尺寸放大器所可能具有的最高输出功率。使用最新的晶体管技术，如果是硅LDMOS、碳化硅 (SiC) 或镓氮化物(GaN)，均比较昂贵。第二种方案(较低成本)是依赖当前的晶体管技术，以这样的方式设计放大器以减小其尺寸和成本，同时维持较高的输出功率。
第二种方案应用于100WS波段雷达HPA的设计中。
　　HPA 采用三级串接配置设计(图 1)。低成本硅双极型晶体管晶片 (Class C bias) 用于每一级，HPA 性能目标是以 S波段 的400-MHz 带宽中10% 的频宽比，在 300-?s 脉冲0.6W输入功率时获得100W典型输出功率。与单独的晶体管不同，最终(输出)级由两个晶体管与一个Wilkinson 分配器/耦合器组成。该布局提供了各极之间的高度隔离，从而获得高可靠性。为了保持HPA体积小巧(75×23毫米)，未使用极内隔离器。

　　硅双极型功率晶体管常常以陶瓷或塑料封装提供，以便于机械或环境保护并便于热量发散。陶瓷封装通常焊在铜钨 (CuW) 基片上。通过将晶体管晶片固定在 AlN 基板上，可以实现良好的机械完整性。基板的厚度与放大器的 Duroid 基底厚度相同，两者均固定在铝基片上以便热量顺利地发散(图 2)。

　　基板包含输入和输出阻抗匹配网络。无毒的AlN材料极好地支持高功率脉冲晶体管的热量发散，同时在共基极配置中提供基片(接地片)和双极型晶体管晶片之间需要的电隔离。此布局通过使集电极连接在底板上，行成与晶体管晶片最佳可能的集成。
　　尽管在放大器的第一级和第二级中使用了不同的晶体管晶片，但是仍为两极设计了公用基板以便简化产品并节省成本。第一级采用两个较小的晶片，而第二级则采用单个大型晶片。为了使成本最小化，使用的阻抗匹配尽可能地简单，没有采用额外的电容器并且未使用不必要的基板资源。实际上，如果为了进一步的集成和成本节省，基板可以改为更小。若仅需满足其特性，可以将基板焊到铜基片上。利用满负荷测试工作台，所有的晶体管都经过最优化、测量并定性。2
　　输入/输出设备阻抗经过商用向量网络分析仪测量，分析仪使用基于定制的微带校准标准套件的 short-open-load (SOL) 技术进行校准。
作者：Pierre Bertram，Ph. Eudeline