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固态功率放大器与 TWTA 竞争 ECM 系统适用权

作者:Rick Montgomery、Patrick Courtney

Qorvo,北卡罗来纳州格林斯巴勒市

电子对抗或 ECM 系统通常由接收器、处理器、显示器和干扰发射器组成。到最近为止,固态放大器还不能满足 ECM 系统的发射器对功率、带宽和效率的要求。得益于逐渐成熟的 GaN 功率放大器 MMIC 和低损耗宽带合成技术,现在能够利用固态功率放大器 (SSPA),满足 ECM 系统对功率、带宽和效率的要求。与 GaAs 和其他固态半导体材料相比,GaN 的晶体管功率密度呈数量级提升,器件具备的更高阻抗也使匹配网络的设计变得简单。

传统上,一直由行波管 (TWT) 和其他真空管为 ECM 发射器提供微波功率。自 20 世纪 50 年代以来,ECM 发射器所需的宽带、高功率微波放大都只能采用真空管技术实现,特别是使用行波管放大器 (TWTA)。ECM 干扰发射器通常需要在多个倍频范围内产生数百瓦微波功率。放大器的效率必须足够高,可以满足空中平台有限的功率预算,且可以耗散产生的热能。TWTA 是唯一能够满足这些关键要求的技术。

固态与管

长久以来,固态器件一直是真空器件的首选。相比采用电压电源(例如,低于 50 V)的固态器件,采用高压电源(通常在几千伏范围内)的真空管的可靠性要低得多。真空管制造商和用户正面临着供应源减少和材料短缺的问题。

相比真空管,固态器件产生的噪声较低,线性度更好。例如,处于“待机模式”(即采用 DC 偏置电压,无 RF 输入信号)的固态器件在整个频谱范围内产生的噪声功率要低得多。中等功率 TWT 的噪声系数在 30 dB 左右,固态 GaN MMIC PA 的噪声系数则在 10 dB 左右。在 ECM 系统中,这是一个显著差异,因为噪声更低时,发射器的输入级在不发射时可以保持处于待机模式。总开关时间缩短,这是因为 PA 的主 DC 电源不需要开启和关闭。

图 1:具备 15 dBm CW 输入功率、28 V 偏置电压和 650 mA 功耗的 Qorvo QPA1003P GaN MMIC 的输出功率、频率与温度。


图 2:Spatium 放大器的结构。


图 3:集成 16 个 QPA1003P MMIC 的 Spatium 放大器的测量输出功率。


固态发射器还有一个优点:可以减少输出信号中的谐波成分。对于在一个倍频或更高带宽上运行的固态 PA,在饱和输出功率下,最不理想的谐波成分一般为低于基波约 8 dB。在同样的工作条件下,真空管的谐波成分仅比基波低 2 dB。这些更高的谐波使得发射器必须满足更严格的滤波要求,使得整个 ECM 系统必须采用更大型、更昂贵的组件。

GaN 增强力量

虽然与其他异质结半导体技术相比,GaN 器件大幅提高了功率密度、功率和带宽,但单个器件或 MMIC 仍无法为大多数 ECM 系统发射器提供足够功率。在 2 至 7.5 GHz 范围内,其要求的功率一般为 100 W 或更高。图 1 所示为单个 Qorvo GaN 功率 MMIC 的输出。这种封装式 MMIC 在 1 至 8 GHz 范围内提供 10 W 额定功率,但是,在 85°C 背面温度下,输出功率会降低至最低 8 W。在 ECM 系统要求的频段和温度范围内,提供 100 W 需要采用超过 10 个这种 MMIC。

有许多方法可以为组合器件供电,从而实现 SSPA。对于 ECM 系统发射器,采用的方法必须具有低损耗、宽带宽的特点。许多组合技术都使用双端口二进制合路器,例如 Wilkinson 或 magic tee。组合两个 MMIC 需要采用一个双端口合路器,组合四个 MMIC 需要采用三个合路器,组合 16 路 MMIC 需要采用 15 个组合元素。magic tee 的损耗相对较低,但是,它们一般在最高 10% 的带宽上运行,双脊型 magic tee 只有约一个倍频带宽,不足以满足 2 至 7.5 GHz ECM 的要求。在双向组合中,需要四级组合才能达到所需的功率。在这些频率下,典型双脊型 magic tee 的损耗为 0.3 dB,所以通过合路器的总损耗为 1.2 dB。通过 16 路 magic tee,将图 1 中所示的 30% 效率 GaN PA MMIC 组合起来,组合之后的输出效率约达到 23%,在 85°C、6 GHz 时提供约 95 W 输出。但是,典型双脊型 magic tee 网络仅在一个带宽(例如,2 至 4 GHz)倍频上有效。

空间组合

相比基于电路的技术,空间组合技术的损耗可能更低。Spatium® 是 Qorvo 已获得专利的同轴空间功率组合方法(参见图 2)。它采用宽带对极鳍线天线向/从同轴模式发射,分裂成多个微带电路,然后采用功率 MMIC 放大,将来自这些电路的功率集合到一起。它以自由空间作为组合介质,提供一个高效紧凑的宽带方式,可以在一级中组合多个功率 MMIC。典型的 Spatium 设计在一级中组合 16 个器件,组合损耗仅为 0.5 dB。

将图 1 中 16 个 MMIC 组合在一起,会得到 27% 的 SSPA 效率,而每个 MMIC 的效率却为 30%。使用 magic tee 组合时,效率可以达到 23%,这是两者之间的明显差异。组合效率提高之后,可以从给定的基本功率获得更高的输出功率,还可以降低散热量。

实际的 Spatium 放大器在设计时,组合 16 个径向叶片,每个叶片上都配有 Qorvo GaN MMIC PA。图 3 显示了测量得出的输出功率和钳位表面温度;MMIC 下方底板的温度比钳位温度高约 12℃,因此底板的最高温度为 85℃。该设备在 2 至 7.5 GHz 之间可以实现超过 100 W 的功率,平均效率为 25%。

热设计

在 ECM 发射器中使用固态放大器时,热管理是其中一个设计挑战。在典型应用中,Spatium SSPA 周围夹钳的外表面从一侧或多侧传导冷却(参见图 4)。对于某些系统,可以使用液体冷却剂,对于其他系统,则使用带有风扇的散热器。设计夹钳是为了让它与 Spatium 中的所有叶片接触,并为冷板或散热器提供传导路径。Spatium 叶片和夹钳可以由不同的金属制成,包括铝和铜。大小、重量和功率之间的权衡会确定给定应用适用的材料。


图 4:通过夹钳传导来自 MMIC PA 的热量的 Spatium 放大器。


图 5:Spatium SSPA 的热仿真,显示该架构的横截面。

从 MMIC 背面到安装板之间的热阻抗可以计算得出,并用于获取背面 MMIC 温度。从 MMIC 和封装的热阻,可以计算得出 MMIC 的结温,然后,利用该结温,估算出 SSPA 的可靠性。图 5 所示为图 4 所示的 SSPA 的热仿真,其中 MMIC 在饱和输出功率下运行,效率为频段内(例如,每个 MMIC 消耗 25 W)的最低效率。热模型显示,在假设热阻为 6.56°C/W 的情况下,从夹钳外面最冷点到封装 MMIC 背面的温度上升了约 12°C,从封装背面到输出晶体管连接处的温度则额外上升了 164°C。MMIC 的结温估计为 247℃,夹钳表面的温度保持在 71℃。在 247℃结温下,MMIC 的 MTBF 约为 120 万小时。

整个 Spatium 模块的 MTBF 为单个 MMIC 的 MTBF 除以 MMIC 的数量:75,000 小时。这种计算将单个 MMIC 的故障视为整个放大器组件的故障,这是一个最坏的假设,因为 Spatium 放大器的性能会随着单次 MMIC 故障而降低(例如,每次 MMIC 故障时,输出功率降低约 0.7 dB)。

对于 TWT,MIL-HDBK-217F 通知 2 提供以下公式,用于在固定接地环境中计算 MTBF:



其中 P 表示额定功率,单位为瓦特,范围为 1 mW 至 40 kW,F 表示工作频率,单位为 GHz,范围为 100 MHz 至 18 GHz。按照该公式计算,在频率为 7.5 GHz 时,输出功率为 150 W 的 TWT 的 MTBF 为 29,609 小时。与处于类似环境条件下,可与之相比的固态 Spatium 功率放大器模块相比,此值要低约 2.5 倍。

表 1

总结

这是第一次 GaN MMIC 和宽带空间组合技术(例如 Spatium)允许 ECM 系统设计人员使用可靠的固态放大器来代替 TWTA。能够在宽频带上传输数百瓦的功率,同时保持在平台提供的基本功率范围内,并散热以确保可靠运行,这为固态 ECM 发射器开启了在系统中使用的新机遇。表 1 显示了使用近期的三种 Spatium 放大器可以实现的频率、功率和效率。这些 SSPA 的大小和重量要比之前 TWTA 占用的盒子小得多。