電子對(duì)抗或 ECM 系統(tǒng)通常由接收器、處理器、顯示器和干擾發(fā)射器組成。到最近為止，固態(tài)放大器還不能滿足 ECM 系統(tǒng)的發(fā)射器對(duì)功率、帶寬和效率的要求。得益于逐漸成熟的 GaN 功率放大器 MMIC 和低損耗寬帶合成技術(shù)，現(xiàn)在能夠利用固態(tài)功率放大器 (SSPA)，滿足 ECM 系統(tǒng)對(duì)功率、帶寬和效率的要求。與 GaAs 和其他固態(tài)半導(dǎo)體材料相比，GaN 的晶體管功率密度呈數(shù)量級(jí)提升，器件具備的更高阻抗也使匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)變得簡單。

傳統(tǒng)上，一直由行波管 (TWT) 和其他真空管為 ECM 發(fā)射器提供微波功率。自 20 世紀(jì) 50 年代以來，ECM 發(fā)射器所需的寬帶、高功率微波放大都只能采用真空管技術(shù)實(shí)現(xiàn)，特別是使用行波管放大器 (TWTA)。ECM 干擾發(fā)射器通常需要在多個(gè)倍頻范圍內(nèi)產(chǎn)生數(shù)百瓦微波功率。放大器的效率必須足夠高，可以滿足空中平臺(tái)有限的功率預(yù)算，且可以耗散產(chǎn)生的熱能。TWTA 是唯一能夠滿足這些關(guān)鍵要求的技術(shù)。

固態(tài)與管

長久以來，固態(tài)器件一直是真空器件的首選。相比采用電壓電源（例如，低于 50 V）的固態(tài)器件，采用高壓電源（通常在幾千伏范圍內(nèi)）的真空管的可靠性要低得多。真空管制造商和用戶正面臨著供應(yīng)源減少和材料短缺的問題。

相比真空管，固態(tài)器件產(chǎn)生的噪聲較低，線性度更好。例如，處于“待機(jī)模式”（即采用 DC 偏置電壓，無 RF 輸入信號(hào)）的固態(tài)器件在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)產(chǎn)生的噪聲功率要低得多。中等功率 TWT 的噪聲系數(shù)在 30 dB 左右，固態(tài) GaN MMIC PA 的噪聲系數(shù)則在 10 dB 左右。在 ECM 系統(tǒng)中，這是一個(gè)顯著差異，因?yàn)樵肼暩蜁r(shí)，發(fā)射器的輸入級(jí)在不發(fā)射時(shí)可以保持處于待機(jī)模式。總開關(guān)時(shí)間縮短，這是因?yàn)?PA 的主 DC 電源不需要開啟和關(guān)閉。

圖 1：具備 15 dBm CW 輸入功率、28 V 偏置電壓和 650 mA 功耗的 Qorvo QPA1003P GaN MMIC 的輸出功率、頻率與溫度。

圖 2：Spatium 放大器的結(jié)構(gòu)。

圖 3：集成 16 個(gè) QPA1003P MMIC 的 Spatium 放大器的測量輸出功率。

固態(tài)發(fā)射器還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：可以減少輸出信號(hào)中的諧波成分。對(duì)于在一個(gè)倍頻或更高帶寬上運(yùn)行的固態(tài) PA，在飽和輸出功率下，最不理想的諧波成分一般為低于基波約 8 dB。在同樣的工作條件下，真空管的諧波成分僅比基波低 2 dB。這些更高的諧波使得發(fā)射器必須滿足更嚴(yán)格的濾波要求，使得整個(gè) ECM 系統(tǒng)必須采用更大型、更昂貴的組件。

使用 GaN 增強(qiáng)力量

雖然與其他異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體技術(shù)相比，GaN 器件大幅提高了功率密度、功率和帶寬，但單個(gè)器件或 MMIC 仍無法為大多數(shù) ECM 系統(tǒng)發(fā)射器提供足夠功率。在 2 至 7.5 GHz 范圍內(nèi)，其要求的功率一般為 100 W 或更高。圖 1所示為單個(gè) Qorvo GaN 功率 MMIC 的輸出。這種封裝式 MMIC 在 1 至 8 GHz 范圍內(nèi)提供 10 W 額定功率，但是，在 85°C 背面溫度下，輸出功率會(huì)降低至最低 8 W。在 ECM 系統(tǒng)要求的頻段和溫度范圍內(nèi)，提供 100 W 需要采用超過 10 個(gè)這種 MMIC。

有許多方法可以為組合器件供電，從而實(shí)現(xiàn) SSPA。對(duì)于 ECM 系統(tǒng)發(fā)射器，采用的方法必須具有低損耗、寬帶寬的特點(diǎn)。許多組合技術(shù)都使用雙端口二進(jìn)制合路器，例如 Wilkinson 或 magic tee。組合兩個(gè) MMIC 需要采用一個(gè)雙端口合路器，組合四個(gè) MMIC 需要采用三個(gè)合路器，組合 16 路 MMIC 需要采用 15 個(gè)組合元素。magic tee 的損耗相對(duì)較低，但是，它們一般在最高 10% 的帶寬上運(yùn)行，雙脊型 magic tee 只有約一個(gè)倍頻帶寬，不足以滿足 2 至 7.5 GHz ECM 的要求。在雙向組合中，需要四級(jí)組合才能達(dá)到所需的功率。在這些頻率下，典型雙脊型 magic tee 的損耗為 0.3 dB，所以通過合路器的總損耗為 1.2 dB。通過 16 路 magic tee，將圖 1 中所示的 30% 效率 GaN PA MMIC 組合起來，組合之后的輸出效率約達(dá)到 23%，在 85°C、6 GHz 時(shí)提供約 95 W 輸出。但是，典型雙脊型 magic tee 網(wǎng)絡(luò)僅在一個(gè)帶寬（例如，2 至 4 GHz）倍頻上有效。

空間組合

相比基于電路的技術(shù)，空間組合技術(shù)的損耗可能更低。Spatium是 Qorvo 已獲得專利的同軸空間功率組合方法（參見圖 2）。它采用寬帶對(duì)極鰭線天線向/從同軸模式發(fā)射，分裂成多個(gè)微帶電路，然后采用功率 MMIC 放大，將來自這些電路的功率集合到一起。它以自由空間作為組合介質(zhì)，提供一個(gè)高效緊湊的寬帶方式，可以在一級(jí)中組合多個(gè)功率 MMIC。典型的 Spatium 設(shè)計(jì)在一級(jí)中組合 16 個(gè)器件，組合損耗僅為 0.5 dB。

將圖 1 中 16 個(gè) MMIC 組合在一起，會(huì)得到 27% 的 SSPA 效率，而每個(gè) MMIC 的效率卻為 30%。使用 magic tee 組合時(shí)，效率可以達(dá)到 23%，這是兩者之間的明顯差異。組合效率提高之后，可以從給定的基本功率獲得更高的輸出功率，還可以降低散熱量。

實(shí)際的 Spatium 放大器在設(shè)計(jì)時(shí)，組合 16 個(gè)徑向葉片，每個(gè)葉片上都配有 Qorvo GaN MMIC PA。圖 3顯示了測量得出的輸出功率和鉗位表面溫度；MMIC 下方底板的溫度比鉗位溫度高約 12℃，因此底板的最高溫度為 85℃。該設(shè)備在 2 至 7.5 GHz 之間可以實(shí)現(xiàn)超過 100 W 的功率，平均效率為 25%。

熱設(shè)計(jì)

在 ECM 發(fā)射器中使用固態(tài)放大器時(shí)，熱管理是其中一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在典型應(yīng)用中，Spatium SSPA 周圍夾鉗的外表面從一側(cè)或多側(cè)傳導(dǎo)冷卻（參見圖 4）。對(duì)于某些系統(tǒng)，可以使用液體冷卻劑，對(duì)于其他系統(tǒng)，則使用帶有風(fēng)扇的散熱器。設(shè)計(jì)夾鉗是為了讓它與 Spatium 中的所有葉片接觸，并為冷板或散熱器提供傳導(dǎo)路徑。Spatium 葉片和夾鉗可以由不同的金屬制成，包括鋁和銅。大小、重量和功率之間的權(quán)衡會(huì)確定給定應(yīng)用適用的材料。

圖 4：通過夾鉗傳導(dǎo)來自 MMIC PA 的熱量的 Spatium 放大器。

圖 5：Spatium SSPA 的熱仿真，顯示該架構(gòu)的橫截面。

從 MMIC 背面到安裝板之間的熱阻抗可以計(jì)算得出，并用于獲取背面 MMIC 溫度。從 MMIC 和封裝的熱阻，可以計(jì)算得出 MMIC 的結(jié)溫，然后，利用該結(jié)溫，估算出 SSPA 的可靠性。圖 5所示為圖 4 所示的 SSPA 的熱仿真，其中 MMIC 在飽和輸出功率下運(yùn)行，效率為頻段內(nèi)（例如，每個(gè) MMIC 消耗 25 W）的最低效率。熱模型顯示，在假設(shè)熱阻為 6.56°C/W 的情況下，從夾鉗外面最冷點(diǎn)到封裝 MMIC 背面的溫度上升了約 12°C，從封裝背面到輸出晶體管連接處的溫度則額外上升了 164°C。MMIC 的結(jié)溫估計(jì)為 247℃，夾鉗表面的溫度保持在 71℃。在 247℃結(jié)溫下，MMIC 的 MTBF 約為 120 萬小時(shí)。

整個(gè) Spatium 模塊的 MTBF 為單個(gè) MMIC 的 MTBF 除以 MMIC 的數(shù)量：75,000 小時(shí)。這種計(jì)算將單個(gè) MMIC 的故障視為整個(gè)放大器組件的故障，這是一個(gè)最壞的假設(shè)，因?yàn)?Spatium 放大器的性能會(huì)隨著單次 MMIC 故障而降低（例如，每次 MMIC 故障時(shí)，輸出功率降低約 0.7 dB）。

對(duì)于 TWT，MIL-HDBK-217F 通知 2 提供以下公式，用于在固定接地環(huán)境中計(jì)算 MTBF：

其中 P 表示額定功率，單位為瓦特，范圍為 1 mW 至 40 kW，F(xiàn) 表示工作頻率，單位為 GHz，范圍為 100 MHz 至 18 GHz。按照該公式計(jì)算，在頻率為 7.5 GHz 時(shí)，輸出功率為 150 W 的 TWT 的 MTBF 為 29,609 小時(shí)。與處于類似環(huán)境條件下，可與之相比的固態(tài) Spatium 功率放大器模塊相比，此值要低約 2.5 倍。

表 1

總結(jié)

這是第一次 GaN MMIC 和寬帶空間組合技術(shù)（例如 Spatium）允許 ECM 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用可靠的固態(tài)放大器來代替 TWTA。能夠在寬頻帶上傳輸數(shù)百瓦的功率，同時(shí)保持在平臺(tái)提供的基本功率范圍內(nèi)，并散熱以確保可靠運(yùn)行，這為固態(tài) ECM 發(fā)射器開啟了在系統(tǒng)中使用的新機(jī)遇。表 1顯示了使用近期的三種 Spatium 放大器可以實(shí)現(xiàn)的頻率、功率和效率。這些 SSPA 的大小和重量要比之前 TWTA 占用的盒子小得多。■