摘要:简述了SiC宽禁带半导体材料的特性，通过与传统Si半导体材料相比较，该材料在击穿电场强度、截止频率、热传导率、抗辐射能力、结温和热稳定性等方面具有明显优势。SiC宽禁带功率器件在输出功率、功率密度、工作频率、环境适应性等方面具有卓越的性能，在雷达发射机中有良好的应用前景。文中利用SiC宽禁带功率器件设计制作了L波段1kW功率放大器，对SiC宽禁带功率放大器进行了性能测试，根据实验数据分析了SiC宽禁带功率器件对固态雷达发射机性能的改善。
引言
SiC材料具有禁带宽(2．2eV～3．2eV)、临界击穿电场高(2．2mV/cm～5mV/cm)、电子饱和漂移速度高(2×107cm/s)和热导率高(3．4W/cm·k～4．9W/cm·k)等优点，因此是微波大功率器件制作的理想半导体材料，特别适合于制造高温、高频、高功率、抗辐射、抗腐蚀的微波功率器件。用其制造的功率器件理论上功率密度可提高一个数量级、工作结温将提高到300℃，具有更高的增益带宽乘积、更大的输出功率、更高的工作效率、良好的抗辐射能力和热稳定性。
宽禁带半导体功率器件在固态雷达发射机中有广阔的应用前景，可以显著提高发射机的工作频带宽度和功率密度，减小发射机的体积和重量，更适合于空间应用并提高发射机的可靠性。本文利用SiC宽禁带功率器件设计实现了1kW功率放大器，并对放大器进行面向雷达应用的多种工作状态测试，分析应用SiC宽禁带功率器件对固态雷达发射机性能的影响。
1、1kW宽带线性SiC功率放大器工作原理和设计
1.11kWSiC功率放大器设计指标
SiC宽禁带功率器件具有高功率、频带宽、耐高温的特点，本文利用SiC功率器件为核心研制L波段大功率固态放大器，就SiC宽禁带功率器件在固态雷达发射机中的应用开展相关研究工作。重点关注在面向雷达应用的不同工作状态下，宽禁带功率器件对固态雷达发射机性能的影响。1kWSiC功率放大器的设计指标见表1，SiC功率器件的具体性能参数见表2。
1.2放大器工作原理
放大器的工作原理是由来自频率源10mW左右的射频激励信号送入前级功放单元，前级功放单元将信号功率放大到10W左右，10W信号经过宽带分配网络实现4路平衡输出，经分配后约2W左右的射频信号驱动4个300W功放单元，最后四路300W射频信号同时送入末级宽带合成器，经功率合成后输出射频信号峰值功率大于1kW，如图1所示。
1.3前级功率放大器设计
前级放大器的主要功能是为末级功放组件提供足够的驱动功率。前级放大器输入功率10mW，输出功率10W，增益30dB。前级功放单元采用宽禁带功率器件实现:频率源送来的射频信号经过两级GaN功率模块放大至1W，再经过一级SiC功率器件放大至10W左右。10W前级功放单元原理如图2所示。由于应用在脉冲工作状态下，并且器件是在AB类工作，这表明器件在未加射频时也会有工作电流，这将降低放大器实际的工作效率，因此必须对工作电源按照射频的方式进行调制，使放大器在有射频信号时处于工作状态，在没有射频信号时处于截止状态。前级功率放大器中加入TTL驱动电路设计，将外部的TTL调制信号经过两级分5路驱动17个TTL调制信号(包括一路前级和四路300W末级功放组件)。
1、4300W功率放大单元设计
300W末级功放单元原理如图3所示，经前级放大器分配后约2W左右的射频信号和一路TTL调制信号送入300W功放单元后，先经一分四功率分配网络分配到0．5W左右分别激励4只80W功率模块，4路80W射频信号同时送入四合一功率合成器，合成输出峰值功率300W左右的射频信号。
80W功放模块的原理如图4所示，来自功率分配器的0．5W左右的射频信号经第一级10WSiC功率放大器放大，输出的射频能量经过1/2功率分配器后分别推动2只50W的SiC功率放大器再次放大，最后再由2/1功率合成器合成后得到大于80W的射频峰值功率。
需要说明的是，由于设计工作带宽较宽，致使单级放大器的增益下降，同时通过适当降低工作电压以提高线性和级间匹配，所以单级器件的增益比标称增益低3dB左右。
1.5、宽带功率合成器设计
末级功率合成器工作频带较宽。功率合成器采用两级Wilksion电路实现，考虑两级合成时，第二级隔离电阻很难实现，同时会增加功分器体积，因此设计中在体积和隔离度之间进行折中，只采用一级隔离电阻，结合EDA软件设计，最终功率合成器带内起伏0．2dB，隔离度大于18dB。
2、放大器性能测试
放大器采用标准19in(1in=2．54cm)机柜插箱的形式。前面板设计简洁:输入采用SMA型接口，输出采用N型接口，并设电源控制开关。后面板设电源和控制信号接口，并且大电流工作接口和小信号控制接口相互分离，达到信号隔离的效果，如图5所示。
2.1、输出功率测试
在长脉冲(脉宽毫秒量级)、高工作比(25%)条件下进行功率测试，如图6所示。
放大器输出带内起伏为2.5dB，和传统的窄带放大器的1dB起伏有一定差距。分析原因主要是每一级功放工作点没有处于深饱和区，由于工作带宽较宽，因此每一级增益起伏都较大，多级级联后叠加后致使总起伏逐渐增加。
2.2、频域测试
通过测试数据可以看出，功率放大器工作频率f1－2f1，输出峰值功率均值1．2kW，杂散＜－65dB，平均效率＞20%，谐波＜－25dBc，满足设计指标。其中f1谐波为－8dBc，分析其原因为放大器工作频带较宽，其二次谐波2f1在放大器工作频带内，导致将二次谐波2f1放大，因此该点谐波指标较差。
3、数据分析
3.1、输出功率
现代雷达发展对发射系统的要求之一是提高输出功率，这可以通过2种方法来实现:
(1)、增加脉冲宽度和工作比;
(2)、提高峰值功率
该放大器的设计主要方向是工作脉宽和工作比。最终放大器实现了脉宽为5ms、工作比30%(理论上甚至可以连续波工作)的工作方式，相比较而言，Si大功率器件的工作脉宽一般小于500μs，工作比为10%左右。利用SiC器件提高固态雷达发射机的输出功率对现代雷达有重要的意义，这可以增强雷达的威力，增强探测低RCS目标和低可观测目标的能力。同时在相同输出功率量级的前提下，采用SiC器件可以减小发射机的体积，从而满足机载火控雷达、无人机载雷达、直升机载雷达与弹载雷达等天线孔径严格受限制的雷达平台的需要。
3.2、工作带宽
本实验中，1kWSiC功率放大器的工作带宽在L波段实现了一个倍频程，体现出SiC宽禁带功率器件工作频带宽的优势，而Si双极型功率器件一般相对带宽只有10%～20%。采用SiC宽禁带功率器件可以提高固态雷达发射机的工作带宽和瞬时信号带宽。对实现低截获概率(LPI)雷达，提高雷达发射信号的反侦查能力和抗干扰能力，实现雷达高分辨率测量与目标成像识别具有重要的意义。同时，对于新一代有源相控阵雷达的应用来说，除要求完成雷达工作任务外，还要求具有雷达电子侦察和通信电子侦察能力，甚至要求具有电子战有源干扰能力，这就要求雷达具有更宽的工作频带。通过试验数据可以看出，采用SiC宽禁带功率器件是实现宽频带工作的一个重要的技术途径。
3.3、工作电压和工作电流
根据实验数据分析，与Si功率器件相比，SiC宽禁带功率器件具有高工作电压、小工作电流的特点。而这些特点在工程中可以减小由于电源供电带来的损耗，提高电源供电效率，减少阵面的发热量，从而提高固态雷达发射机的效率，有利于器件大规模应用。另外小工作电流可以降低阵面内各种信号之间的干扰，改善阵面的电磁环境。
3.4、线性度
目前，数字雷达系统(例如:DBF)和雷达－电子战一体化系统是现代雷达系统的重要发展方向，此类雷达系统要求雷达发射机在高功率工作同时，具有线性工作能力。本实验中SiC宽禁带功率器件工作在AB类工作状态，在高功率应用的条件下，仍具有一定的线性度。而双极型Si功率器件在高功率应用条件下，一般工作在C类工作状态，线性度较差。因此，应用SiC宽禁带功率器件对实现数字雷达系统和雷达－电子战一体化系统有重要意义。
3.5、热稳定性
本试验中，SiC功率器件结温为255℃，具有高结温和良好的热稳定性。应用宽禁带功率器件可以提高功率放大器的环境适应能力，使放大器可以在高温、温度变化大的环境中工作，有利于简化固态雷达发射机的冷却系统，优化固态雷达发射机的结构，减小固态雷达发射机的体积。
4、结束语
宽禁带半导体技术具有许多独特的优点，是新一代半导体材料、器件、电路、工艺发展的重点，器件与电路都是针对新一代雷达，特别是有源相控阵雷达需求而开发的。本文利用SiC宽禁带功率器件设计实现了1kWSiC宽带线性功率放大器，通过对放大器的进行性能测试和对比，可以看出采用宽禁带功率器件有利于提高固态雷达发射机的工作带宽、输出功率和线性度。同时，通过放大器的设计与实践也可以看出目前器件的一些不足，主要表现在宽带条件下的增益较低和带内起伏较大，这也进一步对器件提出了更高的要求。如您对我们的产品感兴趣，欢迎联系咨询电话：135 1009 9916（微信同号）
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