经典雷达资料第5章固态发射机.docx
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经典雷达资料第5章固态发射机
第5章固态发射机
MichaelT.Borkowski
5.1引言
在逻辑电路和其他小功率电路，甚至在像电源和低于1MHz的能量转换器这样的大功率应用系统中，固态器件已广泛代替了真空器件。
惟一的例外是阴极射线管（CRT），原因是它比等离子体显示器便宜得多。
由于单个固态器件的输出功率是相当有限的，所以，在雷达发射机中，从高功率的速调管、行波管（TWT）、正交场放大管（CFA）和磁控管到固态器件的过渡是渐进的。
然而，与真空管相比，固态器件有许多优点。
（1）不需要热阴极。
因此，不存在预热延迟、灯丝功率浪费，且使用寿命几乎无限期。
（2）器件工作在低得多的电压环境下。
因此，要求的电源电压是伏特级而不是千伏级，这样就避免了大空间、充油或密封的要求，从而，节省了电源的体积和重量，使电源和微波放大器获得较高的可靠性。
（3）用固态器件设计的发射机与真空管发射机相比，平均无故障时间（MTBF）得以提高。
已经测过的放大模块的平均无故障时间大于100000h。
（4）不需要脉冲调制器。
用于雷达的固态微波器件通常采用C类工作方式，当射频驱动开和关时，它是自触发的。
（5）模块故障时，系统具有故障弱化功能。
这是因为发射机的输出功率是由大量的固态器件合成提供的，而且当个别单元故障时，其他单元能很容易地重新组合以弱化故障。
若以分贝表示，输出的总功率仅降低20lgr，其中r为工作的放大器与放大器总数之比。
（6）可获得很宽的带宽。
一般高功率的微波真空管能获得10%～20%的带宽，而固态发射模块可获得50%或更大的带宽，并具有好的效率。
（7）在相控阵雷达应用中，可获得很好的灵活性。
在相控阵雷达系统中，每个天线单元可以与单个有源收发组件相连接，这样就可消除通常存在于真空管系统中，位于点源管放大器与天线阵列表面之间的射频分配损耗。
另外，用于波束控制的相位移动可在低电平上，在有源阵列单元的输入馈电端实现。
这样就避免了辐射单元移相器高功率损耗，并提高了整机的效率。
因输出功率是在空间合成的，从而任一点的峰值射频功率相当低。
另外，输出幅度锥削可通过关断或减弱单个的有源放大器来实现。
高功率真空管被固态器件取代的进程比以前预想的要缓慢得多。
事后分析，其原因是，在相同的峰值功率和占空比条件下，直接用固态器件取代脉冲工作的射频真空管过于昂贵且无法进行。
与射频真空管相比，微波半导体器件的热时间常数短得多（是毫秒级，而不是秒级）。
结果使平均功率为50W的微波晶体管在脉冲期间不过热的前提下，不能承受比100～200W更大的脉冲功率。
具有窄脉冲宽度和低占空比的真空管式老雷达只能非常低效地利用微波晶体管的平均功率能力。
例如，要取代L波段平均射频功率为500W、占空比的典型值为0.1%的磁控管5J26，需要上面提到的50W的晶体管2500～5000个。
换句话说，若在较高占空比的条件下以较低的峰值功率提供所需的雷达平均功率时，微波晶体管的效费比将大得多。
因此，很少直接用固态发射机取代低占空比的老发射机，对于这一规则AN/SPS—40雷达是一个例外，以后将会讨论。
对于新的雷达系统，这些认识已经启发了系统设计师尽可能地选择高的占空比，这不但减少了峰值功率的要求，而且也可在合适的价位上使用固态器件。
例如，若占空比为10%，本节前面提到的500W的平均功率可仅由25～50个50W的晶体管来提供。
决定使用高发射占空比对雷达系统的其他部分产生了显著的影响。
工作在较高占空比的雷达系统，通常要求使用脉冲压缩技术以同时获得所要求的无模糊距离覆盖和高距离分辨力。
另外影响是，使用脉冲压缩技术的宽发射脉冲会使雷达在近距离产生盲区。
因此，需发射和处理一个插入在宽脉冲之前的窄脉冲。
为了防止强点杂波掩盖弱动目标信号，信号处理器必须获得低脉压时间副瓣和高杂波对消比。
因此，设计一个固态发射机作为一个新雷达系统中的一部分，比用一个固态发射机改造一个不具有这些特性的老系统要容易得多。
高功率的微波晶体管在HF～L波段比在更高频段发展更快，固态发射机的最广泛应用是在这些较低频段，见表5.1。
也注意到，那些在UHF或低于此频段的固态发射机通常比L频段的固态发射机有更高的峰值和平均功率。
表5.1已投入使用的固态发射机
系统名称
生产厂家
频率
（MHz）
峰值功率
（kW）
占空比
平均功率
（kW）
模块数
模块峰值功率（W）
使用日期
ROTHR
Raytheon
5～30
210
CW
210
84
3000
1986
NAVSPASUR*
Raytheon
218
850
CW
850
2666
320
1986
SPS—40
Westinghouse
400～450
250
1.6%
4
112
2500
1983
PAVEPAWS**
Raytheon
420～450
600
25.0%
150
1792
340
1978
BMEWS*
Raytheon
420～450
850
30.0%
255
2500
340
1986
TPS—59
GE
1200～1400
54
18.0%
9.7
1080
50
1975
TPS—59***
GE
1200～1400
54
18.0%
9.7
540
100
1982
SEEKIGLOO
GE
1200～1400
29
18.0%
5.2
292
100
1980
MARTELLO*
Marconi
1250～1350
132
3.75%
5
40
3300
1985
RAMP
Raytheon
1250～1350
28
6.8%
1.9
14
2000
1986
SOWRBALL
Westinghouse
1250～1350
30
4.0%
1.2
72△
700
1987
*固态发射机代替真空管发射机；**每个阵列表面的参数；***用峰值功率为100W的模块升级。
△原文似有误。
若700W正确，则模块数应为42或43。
固态器件的使用并没有消除发射机设计的所有问题。
射频合成网络必须运用高技术周密地设计，以最小化合成损失，保持发射机的高效性。
必须与过大的驻波比合理地相隔离以保护微波晶体管，并且必须适当地滤除晶体管的谐波输出以满足MIL—STD—469和其他有关射频频谱质量规范的要求。
由于大多微波晶体管工作于C类工作方式，所以不需要脉冲调制器。
但是，C类工作对频谱控制而言，它使控制射频上升、下降沿时间波形变得更困难。
同时，正像真空管发射机一样，能量管理仍然很关键。
每一个电源必须有一个足够大容量的电容组以储存能量，用来在整个脉冲期间供给固态模块，而且能在脉间平滑地给电容组再充电以避免在供电线上汲取过大的电流波动。
因而，虽然所要求的电源通常不是货架产品，但有大量固态器件和电路来满足这些要求。
由于许多固态器件的输出功率合成过程中存在不可避免的损耗，又因为空间合成基本上无损耗，设计中更倾向于避免辐射之前的合成。
因此，许多固态发射机由模块组成，它们向阵列天线的行、列或单个阵元馈电。
特别是最后一种情况，需要把模块（也可能还将其电源）加装到天线结构体系中，把模块放于天线上可以避免长波导的传输损耗。
然而，将设备的重量放到天线上，在有些情况下是不希望的。
这就可能迫使设计者停留在传统的合成模式中。
一个典型的例子是船载雷达，它的天线总是架在船上尽可能高的地方，必须最小化天线的重量以保持转动的稳定性，而且到天线塔进行维修也很困难[1]。
由于一个典型的固态发射机是由许多模块组成的，因此，一个或少数几个模块故障对整机的性能影响很小。
然而，模块的输出是以电压矢量的形式合成的，若10个模块中的2个（或1000个中的20%）故障将导致输出电压降为80%，而输出功率降为64%。
这仅是2dB的损失（80%和64%功率之差出现在合成器负载中或副瓣中，如果在空间合成的话）。
故障弱化的结果使固态发射机的整机可靠性非常高，甚至维修工作可推迟到方便的规定时间。
但这一优势不应被滥用。
试举一例，当输出功率满足要求时，1000个模块中的20%可允许故障，而且假定维修工作计划每隔三个月进行一次。
在此例中，只要求模块的平均无故障时间为22000h便可对发射机在少于3个月内无故障提供90%的可信度。
但是，模块更换和人工劳动的费用是不令人满意的，原因是每年发射机的40%不得不被更换。
为了确保固态发射机可用，并用得起，较高的平均无故障时间是必不可少的。
值得庆幸的是，已经证明固态模块的可靠性甚至好于MIL—HDBK—217的预言。
例如，AN/FPS—115（即PavePaws）雷达的收发模块实际平均无故障时间（包括接收机收发开关、移相器和功率放大器）已提高到141000h，这是预言值的2.3倍。
实际上，功率输出晶体管的平均无故障时间大于1100000h[2]。
5.2固态微波功率的产生
相对于雷达发射机总的峰值功率和平均功率而言，单个固态器件产生功率的能力很小，但是，固态器件可被很高效地使用，将成百上千的固态放大器输出功率合成可获得大的峰值和平均功率。
一个特定器件的功率输出值是准确的工作频率与工作条件（即脉冲宽度和占空比）的函数。
在正常工作条件下，双极型晶体管的输出功率在50～500W之间。
正如表5.1所列，这些器件已成功用于UHF～L频段的设计中，双极型器件满足系统可靠性、电气性能、密封、冷却、可用性和可维修性的要求。
实际上，在较低频段上，这些器件成为真空发射管的具有吸引力的替代品。
在较高频段，特别是在微波相控阵应用系统中，具有发射和接收功能的单个小物理模块是必要的，可使用砷化镓场效应管（GaAsFET）和与之有关的批处理的单片微波集成电路（MMIC）。
砷化镓FET在高达60GHz的频率上可很好地用做低噪声器件[3]，加上单元合成技术[4]砷化镓FET可在1～20GHz频段内用做功率放大器。
通常，砷化镓技术吸引人的原因在于，砷化镓FET可与提供偏压、加载、滤波和开关功能的无源电路集成，这对多级收发模块的设计是非常必要的，但由于器件本质上的限制，对于输出功率超过25～30W模块设计，用这种方法进行替换的费效比并不可取。
对于固态微波频谱的上端，即毫米波段，单端微波二极管可用于低功率振荡器。
不幸的是，通常这些器件的功率输出和效率是很低的。
实际上，比那些对应的真空管部件效率低许多。
然而，在高达300GHz的频段，连续波和脉冲功率的输出是可以实现的。
耿氏效应（Gunn）和雪崩（IMPATT）二极管就是这样的器件，它们在固态毫米波应用中大有前景。
这些器件类型和相关的技术将在下面分别加以简要叙述。
微波双极功率晶体管
在固态系统中，硅双极晶体管是常见的器件选择。
在较低频段，特别是低于3GHz的频段，这种器件能在众多的固态技术竞争对手中以最低的费用提供足够的性能。
频段升到S波段时，放大器的设计仍是可以实现的，但在此频段器件性能和系统费用之间的折中开始达到利润逐渐降低的转折点。
硅双极型晶体管技术是成熟的。
随着器件处理、封装和电路设计技术的继续发展，生产者应能持续推出输出功率、带宽和可靠性提高了的晶体管。
另外，作为一个相对质量指标，由于生产合格产品量的改善、自动化或半自动化组装技术的发展，器件每瓦特输出功率的费用正在降低。
微波功率晶体管可看做是复杂的混合电路，通常是单片或多片器件。
对于高功率输出器件，多个晶体管的衬底总是平行组合在一个密封的陶瓷封装中。
另外，某些内部阻抗匹配电路也包括其中，以保持半导体器件固有的大带宽和易于与外部匹配。
内匹配也使封装器件的终端阻抗增加，从而使外部电路到晶体管的器件损耗不再重要。
对于多个生产厂家，这些片子的生产和平面排列在一定程度上已标准化，图5.1示出一典型微波双极晶体管晶片横截面的一部分。
此结构是一个带有垂直扩散轮廓图的NPN硅器件，集电极连接器件的底层。
P型基极区扩散或植入集电极，N型发射极扩散或植入基极，从片子的顶层表面均可触及发射极和基极。
集电极区包括掺有N型杂质的低电阻率外延层，该层生成在极低电阻率的硅基底上。
外延层的特性，如厚度和电阻率，决定器件性能的上限，如强度、效率和饱和功率输出。
图5.1微波双极晶体管芯片的截面图
高频晶体管性能的基本限制是集电极到发射极的总延迟时间。
如果一个信号进入基极或发射极，会遇到四个独立的衰减或时间延迟区：
发射结的电容充电时间，基极的传输时间，集电极过渡层的传输时间和集电极的阻容充电时间。
高频晶体管的设计涉及到优化产生时延成分的物理参数[5]。
对于高功率芯片，设计中所面临的挑战是，在最小的温度升高条件下，在大发射极区上维持均匀的高电流密度。
高频率器件要求在发射极区之下是薄、窄，而且是高阻率的基极区。
这将使流入器件的大部分电流堆积在发射极的边缘。
为了使器件的电流承载能力和功率输出能力最大，发射极边缘应最大化。
因为集电结电容是有害的寄生电子组件，发射极边缘与基极面积之比，即Ep/Ba，应尽可能最大化。
通常较高频率器件有较大的Ep/Ba值。
要获得大Ep/Ba值就要有很细的线形几何形状，这里的几何形状指晶体管表面结构细节。
晶体管射频功率输出能力的一个限制是集电极-基极结的击穿电压值。
在该限制内，单个晶体管在一个给定的带宽内获得的最大实际功率输出值是由另外两个限制因素决定的，即器件热损耗限制和器件输入端输出端阻抗限制。
后两个限制由于典型器件的物理结构而相互关联。
芯片表面有源晶体管的面积被分成许多单元，单元尺寸大多是专门为特定应用或某个应用范围设计的。
脉冲宽度和占空比，或峰值和平均损耗功率，是决定芯片上单元尺寸和单元排布的参数。
随着器件体积变大，从管芯顶面到晶体管底层的耗散热流增加，结温度上升到晶体管的热限温度。
晶体管的极限工作结温很大程度上取决于瞬时加热和分离单元的布局和尺寸。
设计为长脉冲或连续波工作的器件，将晶体管的有源面积分割成小的热隔离单元可提高晶体管平均功率能力。
晶体管的热时间常数与结和器件散热片或冷却盘之间的众多热阻层有关。
这是因为器件的每一层（硅、陶瓷、晶体管的凸缘）不但存在着热阻，而且具有热容量。
典型L频段功率晶体管的总热时常数可能为几百微秒的数量级，所以对典型脉冲宽度为20～1000ms的雷达，在平均功率和峰值功率与器件体积之间进行权衡是有意义的。
工作于窄脉冲、低占空比的系统，如测距设备（DME）、空中战术导航系统（Tacan）、敌我识别系统（IFF）等，其器件在设计上不同于警戒雷达中较典型的宽脉冲宽度、中等波形占空比的器件。
在极高占空比或连续波工作中要求进行细致的热设计。
图5.2是与射频脉冲串相关的热时常数效应图，表5.2列出一些已报道的器件应用及其一般的性能特性。
图5.3为铺路爪（PavePaws）发射机的115WUHF晶体管照片，图5.4的电路图可看做是已封装多片100WL频段晶体管的典型电路图。
表5.2微波功率管的系统应用
系统名称
频率（MHz）
脉宽/占空比
峰值功率（W）
增益（dB）
效率（%）
OTH
5～30
CW
130
14.0
60
NAVSPASUR
217
CW
100
9.2
72
AN/SPS—40
400～450
60ms/2%
450
8.0
60
PavePaws
420～450
16ms/20%
115
8.5
65
BMEWS
420～450
16ms/20%
115
8.5
65
AN/TPS—59
1215～1400
2ms/20%
55
6.6
52
RAMP
1250～1350
100ms/10%
105
7.5
55
续表
系统名称
频率（MHz）
脉宽/占空比
峰值功率（W）
增益（dB）
效率（%）
MARTELLO
S723
1235～1365
150ms/4%
275
6.3
40
MATCALS
2700～2900
100ms/10%
63
6.5
40
AN/SPS—48
2900～3100
40ms/4%
55
5.9
32
AN/TPQ—37
3100～3500
100ms/25%
30
5.0
30
HADR
3100～3500
800ms/23%
50
5.3
35
图5.2脉冲射频输入丙类偏置硅功率管的瞬时热响应
图5.3PavePaws发射机中工作于宽脉冲、高占空比的115WUHF功率晶体管
图5.4内部输入输出匹配的100WL频段功率晶体管的电路图
微波场效应管（FETs）
在0.1～1.0GHz的频段范围内，硅功率FETs具有可与硅双极型晶体管相媲美的功率输出特性[6]。
然而，砷化镓（GaAs）功率FETs在输出功率能力方面是受限的，这主要是因为砷化镓的低导热性和较低的击穿电压。
但是，这种器件能工作在比硅器件高许多的频段上[7]，而且，砷化镓FETs可制成单片形式，这时可将放大器的无源电路和有源器件集成在同一基片上。
砷化镓功率FETs
在一个FET中，源极与漏极之间的电流受一个或多个控制电极调制，当FET作为功率器件使用时，可看做简单的电流开关。
砷化镓功率器件一般制成金属-半导体场效应晶体管（MESFETs），之所以如此称呼它是因为，金属栅直接沉积在半导体沟道区从而形成肖特基势垒。
因为砷化镓具有比硅更高的电子体迁移率和较大的最大电子漂移速率，所以用砷化镓制造的功率场效应管比用硅制造的同类器件呈现出更高的频率特性。
另外，外延砷化镓的电子迁移率近似为体值；因此，砷化镓FETs比相同几何形状的硅场效应管呈现出更低的寄生串联电阻和较高的跨导。
电子在砷化镓中的传输速度约为在硅中传输速度的两倍，砷化镓中电子的体迁移率比硅中的高三倍。
因此，相同几何形状的砷化镓器件的固有增益比硅器件高许多。
砷化镓功率场效应管的单元设计和几何结构设计遵循与硅双极器件相同的设计规则。
图5.5示出使用空气桥结构和过孔使场效应管源极接地的砷化镓功率场效应管的横截面。
栅极的长度（似乎有点用词不当，因为它比栅极的宽度窄许多）是决定器件增益和工作频率的主要参数。
栅极的宽度有时也称做周长。
一般希望使用最大的栅极长度以确保在工作频段获得高的增益。
这样可使加工产出量最大，且组件费用最小化。
对于1～30GHz频段的器件，栅极长度可在0.25～2.0mm之间变动。
通过减小栅极的长度可在一定程度上提高频率极限，而功率输出的增加要求较大的栅极宽度，以支持增大了的电流；然而，如果栅极做得太宽，微波信号就会产生相移，在栅金属上传播时会衰减，结果使总增益减小。
可通过平行设置几个邻近的栅极以增加单位给定面积的总沟道面积，从而增加栅极的总有效宽度。
这类同于在双极型晶体管设计中增加每单位面积的发射极的周长。
另外，结构设计要保持尽可能高的源极和漏极之间的击穿电压以确保输出功率能力最大化。
砷化镓场效应管的输出功率几乎随总栅极宽度的增大而线性增大，而功率增益却是随总栅极宽度的增大而缓慢减小。
单个芯片实际可容纳的最大总栅极宽度受下列因素的限制。
图5.5GaAs功率MESFET芯片的截面图
（1）器件的产品率。
一个典型的加工产品率是指每100mm产出0.995栅极周长。
所以一个24mm的芯片只有30%的预期产品率。
（2）阻抗匹配的困难。
输出功率的增加是相邻沟道平行连接的结果，在较高的功率水平上，整个器件的阻抗变得越来越低。
例如，24mm芯片输入阻抗的实部将小于1W。
（3）总功率增益的降低随着平行栅极数的增加，栅极指状元件的均匀电流分布逐渐变得难于控制，合成变得低效并且总器件增益降低。
（4）器件的物理尺寸。
24mm周长的芯片尺寸近似于3000mil2（75mil×40mil）。
由于封装的难度随较大的芯片、较多的引线和较大的封装而增加，所以较大的器件面积将降低装配产品率。
（5）消耗的功率。
砷化镓的热传导性很弱。
较大器件产生的消耗功率将导致管心表面极高的沟道温度，于是可靠性将受到影响。
硅功率场效应管
硅双极型功率晶体管的开发比硅功率场效应管早得多，因此，许多最早的固态发射机设计采用双极型器件。
然而，硅功率场效应管是放大器设计者的可行的替选器件。
双极型器件是少数载流子器件，场效应管与其不同，它是多数载流子器件，而且呈现固有的热稳定性。
相比之下，由于少数载流子是热产生的，所以双极型功率晶体管趋于产生局部热点，并呈现热不稳定性。
在双极型晶体管集电极和发射极引脚上使用的阻性镇流技术降低器件的固有增益和效率，但弥补了热不稳定性问题。
然而，在功率FET中，可在不使用这些镇流技术和不导致热失控的情况下组合大的有源单元区。
通常，硅FETs具有以下优点[8]。
（1）热稳定性。
功率增益负温度系数的结果。
（2）增益控制能力。
脉冲波形可通过低功率的栅极偏置调制来实现。
（3）易于阻抗匹配静电感应晶体管（SIT）更是如此，它可工作于高达100V的直流电源下。
因此，在一个给定的功率输出值条件下，它能提供比其他类型器件更高的阻抗值。
毫米波固态功率源
毫米波频段内的固态功率是由低功率振荡器或负阻放大器产生的。
最有前景的成果来自于雪崩二极管（IMPATT）或耿氏效应（Gunn）二极管。
但是隧道注入渡越时间（TUNNETT）器件和栅栏注入渡越时间（BARITT）器件也可使用。
当使用极短的栅极时，在毫米频段可采用金属-半导体场效应晶体管（MESFET）结构，但电荷载流子速率的基本限制和物理上短栅极长度的处理容限使MESFET振荡器的实际应用低于50GHz。
雪崩二极管已由硅、砷化镓或磷化铟制成，并已用做毫米波振荡器。
硅器件最有前途，这是因为硅的结散热效率最高。
二极管的总体性能取决于掺杂密度及外延层、结层、和接口层厚度。
器件的功率输出水平决定于器件是工作于脉冲状态还是连续波状态，其工作频率为80GHz时，可输出功率为1W的连续波，而脉冲状态时近似为20W[9]。
除了雪崩二极管，由砷化镓或磷化铟制成的电子迁移器件（较一般的命名为耿氏效应二极管）的工作频率可达约100GHz。
已有报道，在毫米波段的较低段，连续波输出功率达2W，效率为15%；脉冲输出功率达5W，效率为20%。
5.3固态微波系统设计
在大多数应用场合，解雷达距离方程总是要求天线辐射出高的平均功率和峰值功率，以便在接收机输入端获得最大的信噪比。
高辐射功率的要求对固态发射机设计者的影响是根本性的：
高功率必须通过合成低功率放大器的输出来实现以达到所需的辐射功率。
放大器输出功率的合成方法通常采用两种不同结构中的一种，即空间合成或组合合成结构，如图5.6所示。
但是也有混合的方法，它将组合合成模块输出给空间合成阵列的行。
相控阵结构是空间合成的一个例子，它每一辐射单元由一个放大模块馈电，然后在空中形成波前。
由单个馈电喇叭照射的抛物面反射体天线是组合合成结构的例子。
从喇叭口辐射出的功率已将许多放大模块的输出进行了合成。
围绕这些类型已经建成了固态发射机结构，每一种实现方法所需的组件具有相同的特性和使用相同的器件。
图5.6功率放大器方框图：
（a）并联合成；（b）空间合成
高功率放大器设计
在组合合成系统中，高功率是通过在单点合成多个低功率放大器的输出来获得的。
放大模块通常是隔开的，以便在获得所要求的电性能的同时也能达到结构、冷却、维护、修理和可靠性要求对系统的限制。
如图5.7所示，一个模块通常由许多相同的放大级组成，通过运用微波合成和隔离技术将这些放大级的输出并行合成。
这个并行放大组的驱动功率通过使用微波功率分配器由驱动级或预驱动级提供。
模块输出端的环行器通常用于保护放
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