固态功率放大器与 TWTA 竞争 ECM 系统适用权

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                                                                                                                  本文来自Qorvo公众号
 
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。
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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。
 
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图 2:Spatium 放大器的结构。
 
 
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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。
 
使用 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。
 
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图 4:通过夹钳传导来自 MMIC PA 的热量的 Spatium 放大器。
 
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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:
 
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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。
 
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                                     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。
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