適用于航空航天和國防應(yīng)用的新型S波段功率放大器

海洋、航空航天和國防應(yīng)用以及天氣雷達(dá)通常使用所謂的S波段雷達(dá)。S波段雷達(dá)通常以2-4 GHz的頻率工作。由于波長和頻率的原因，S波段雷達(dá)不容易衰減。這使得它們可用于近距離和遠(yuǎn)距離天氣觀測以及船上，以探測其他船只和陸地障礙物，并為避免碰撞和海上導(dǎo)航提供方位和距離。美國國家氣象局（NWS）也使用S波段雷達(dá)。

雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計注意事項

S波段雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計人員通常專注于改進(jìn)尺寸、重量和功率（SWaP）。在本文中，我們將演示我們的新型Microchip 70W、ICP3049P、2.7–3.5 GHz功率放大器（PA）如何為在S波段運行的無線雷達(dá)系統(tǒng)提供業(yè)界最佳的SWaP性能和最高效率。

當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計人員進(jìn)行新設(shè)計或向現(xiàn)有平臺添加功能時，他們會考慮許多參數(shù)。如果預(yù)期用例是移動的（機(jī)載、艦載或其他移動雷達(dá)系統(tǒng)），PCB面積和集成電路組件的選擇/集成很快就會成為首要考慮因素。

前幾代S波段雷達(dá)系統(tǒng)通常在2.7至3.1 GHz和3.1至3.5 GHz頻段使用單獨的PA。通常，每個頻段使用相同的PA;但是，它使用外部組件對每個頻段進(jìn)行唯一匹配/調(diào)諧，以在頻率上向上或向下移動響應(yīng)。對于ICP3049P這樣的器件，不再需要這種技術(shù)，因為整個頻段被一個IC覆蓋，從而消除了對這些外部元件的需求，從而節(jié)省了電路板空間。

隨著相控陣天線雷達(dá)系統(tǒng)的日益普及，對PA提出了許多具有挑戰(zhàn)性的要求。在確定相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中使用的PA發(fā)射機(jī)系列的規(guī)格時，必須仔細(xì)考慮系統(tǒng)的要求。以下是一些必須遵守的常見設(shè)計注意事項和設(shè)計約束：

印刷電路板（PCB）區(qū)域在相控陣?yán)走_(dá)中可能供不應(yīng)求。這可能會導(dǎo)致輻射元件間距非常近，可能會產(chǎn)生器件間EMI問題或散熱挑戰(zhàn)。

將額外熱量散發(fā)（吸收）到系統(tǒng)中的能力可能非常有限。

操作頻率可能因雷達(dá)系統(tǒng)而異。例如，在S波段，可能需要在整個2.7至3.5 GHz頻譜上運行。

雷達(dá)系統(tǒng)的可用直流功率因最終應(yīng)用而異。與對移動雷達(dá)系統(tǒng)施加的更嚴(yán)格要求相比，固定地面雷達(dá)的直流電源和冷卻通常是無限的。在固定雷達(dá)中，最好優(yōu)化輸出功率的PA，以增加范圍，但代價是直流功耗和更復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)。在移動機(jī)箱中，PA可以針對PAE進(jìn)行優(yōu)化，以最大限度地降低功耗并簡化冷卻要求。

設(shè)計人員是否應(yīng)該為功率放大器級選擇MMIC或功率晶體管（帶有外部匹配網(wǎng)絡(luò)）。

MMIC 與分立功率晶體管

單片微波集成電路 （MMIC） 是在微波頻率（300 MHz 至 300 GHz）下工作的 IC 器件。這些器件通常與 50 歐姆的特性阻抗匹配。這使得MMIC比單個RFMW功率晶體管更易于使用，因為您不需要外部匹配電路來級聯(lián)MMIC，從而可以更輕松地將它們集成到上游和下游電路中。

對于工藝技術(shù)，砷化鎵傳統(tǒng)上是MMIC的理想材料，其中有源和基本無源元件可以在單個GaAs芯片上輕松生產(chǎn)。與GaAs相比，轉(zhuǎn)向用于更高功率PA的GaN-on-SiC MMIC可以實現(xiàn)功耗和重量降低30%以上，這對系統(tǒng)設(shè)計人員和OEM來說是一個巨大的收益。

現(xiàn)在，使用MMIC器件作為PA而不是分立晶體管可以提供尺寸優(yōu)勢，因為MMIC將構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)所需的電路縮小到相對較小的封裝，從而節(jié)省了設(shè)計人員的PCB面積。許多MMIC設(shè)計還集成了電磁干擾保護(hù)（EMI），這使設(shè)計人員無需在設(shè)計中集成這些附加電路。最后，也許關(guān)鍵是MMIC是否采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體“封裝”;這使系統(tǒng)設(shè)計人員不必處理裸片的要求，裸片在業(yè)界普遍認(rèn)為裸片比封裝裸片更難在制造環(huán)境中加工。

分立式RFMW功率器件特別適用于放大電路中的PA模塊，原因有幾個重要，但通常物理尺寸（以及匹配網(wǎng)絡(luò)的尺寸）更大。分立器件通常具有比MMIC器件高得多的輸出功率能力。這意味著設(shè)計人員可能能夠以更少的設(shè)備產(chǎn)生更多的功率。然而，我們認(rèn)為ICP3049 MMIC標(biāo)準(zhǔn)功能能夠在S波段維持70W，這往往會使分立功率晶體管的早期優(yōu)勢最小化。分立器件確實允許設(shè)計人員優(yōu)化器件周圍的匹配網(wǎng)絡(luò)，并可能選擇能夠最大限度地提高特定應(yīng)用的電路性能的PCB材料，但這對于更深奧的應(yīng)用可能更理想，而不是那些每塊板可能有×100個輻射元件的應(yīng)用。最后，由于分立器件在板級匹配，因此設(shè)計團(tuán)隊能夠以高效且比MMIC設(shè)計更省時的方式微調(diào)或修改設(shè)計性能。然而，隨著許多類型的現(xiàn)代PA MMIC的可用性，到Ka頻段及更高，這種優(yōu)勢變得更加專業(yè)化。

碳化鎵器件

看看ICP3049P PA并考慮到所描述的設(shè)計限制，我們認(rèn)為ICP3049P是業(yè)內(nèi)唯一具有這種SWaP最大化性能規(guī)格的GaN-on-SiC器件：7×7 mm塑料QFN封裝，覆蓋整個S波段帶寬為2.7-3.5 GHz，Pout 48–49 dBm，PAE為60%。60% 的高效率意味著該器件只需在輸入端達(dá)到 24 dBm 即可實現(xiàn) 48 dBm 輸出，并在 60.2–8.3 GHz 頻段提供 5+ 瓦的輸出功率。與 40 年代的組織 S 波段 PAE 相比，這種效率是一個進(jìn)步。對于雷達(dá)升級，這意味著系統(tǒng)需要散發(fā)更少的熱量。然后，這種釋放的熱容量可用于新的電子功能或捕獲為節(jié)能。從ICP0349P MMIC的集成方面來看，該器件具有混合輸入匹配GaN晶體管，內(nèi)部無源輸入匹配網(wǎng)絡(luò)采用經(jīng)濟(jì)高效的SiC基氮化鎵工藝制造。該器件的輸入在 50.2 至 7.3 GHz 范圍內(nèi)內(nèi)部匹配至 5 Ω。

ICP3049P小封裝尺寸為7.0×7.0×0.85mm，可實現(xiàn)具有同類最佳外形和高性能且僅需小PCB面積的新型S波段應(yīng)用。ICP3049P需要減少雷達(dá)設(shè)計人員的設(shè)計工作;只需要提供適當(dāng)?shù)牡皖l去耦，并確保PCB上的封裝附件提供可靠的電氣接地和導(dǎo)熱路徑。我們的ICP0349非常適合商業(yè)和國防雷達(dá)應(yīng)用。

審核編輯：郭婷