基于GaN 肖特基二极管的大功率微波限幅技术研究

0背景介绍

近年来 ,强电磁武器发展迅速 ,强 电磁武器包括高空核电磁 脉冲 ( High-altitude Electro-Magnetic Pulse,HEMP)、超宽谱强电磁脉冲(Ultra-Wide Band Electro-Magnetic Pulse,UWB-EMP)、窄谱高功率微波 (High Power Mircowave,HPM)三种。高空核 电磁脉冲主要频谱能量集中在 0. 1GHz以下,峰值场强可达50kV/m,超宽谱强电磁脉冲波形上升沿可达亚纳秒级别,相对频率带宽可达2倍以上 ,峰值场强也能达到数十kV/m,另一种强电磁武器以发射窄谱高功率微波进行攻击,将产生的高功率脉冲源进行幅度调制 ,其载波频率可达Ku波段 ,峰值场强范围为数kV/m 至数十kV/m。强 电磁武器 目标进行攻击时通过形成高能量密度的电磁环境,引起被攻击装备中电子器件的热能积累、电压击穿等效应 ,会造成被攻击装备工作性能的干扰、扰乱、降级或失效^[1,9]。

针对强电磁武器的攻击,电磁防护器件的研究和应用尤为重要 ,微波限幅器作为主要的 电磁防护器件之一 ,主 要用于武器装备的前门防护。随着强 电磁脉冲武器频率 覆盖带宽增加、发射功率等级提升 ,对微波限幅器要求也越来越高,目前微波限幅器主要实现方式有 3种 :半导体、等离子体及高温超导体。其 中 ,半导体 限幅器应用最广泛。当前以Si、GaAs等制备工艺为主的半导体限幅器发展成熟,但存在功率等级低、响应速度慢 的劣势 ,以GaN 为主的第三代半导体材料具有高击穿 电压、高功率、高频率的特点^[4],因此基于GaN肖特基二极管 的大功率微波限幅器对电磁防护功率等级的提升及 电磁防护的快速响应具有重要的应用价值,研究意义重大。近年来,以 GaN二极管为核心器件的限幅器研究发展迅速,并且已经逐步进入应用阶段 ,本文将从GaN肖特基二极管器件 的特点及性能优势、限幅电路结构、限幅器件研究进展等方面对新一代半导体大功率限幅技术进行介绍^[1]。

1GaN肖特基二极管

对于相同击穿电压的两种不同材料的器件,由于GaN 材料拥有更高的临界击穿场强,可以使用更高浓度的掺杂使电场曲线更陡峭,同时减小了漂移区宽度,更高的掺杂浓度和更窄的漂移区宽度都使得器件的开态电阻大幅降低^[2]。因此,对比传统肖特基二极管,相同击穿电压的 GaN器件可以实现更低的开态电阻和更大的电流,而相同开态电阻的器件耐压可以有数量级的提升,更加适合用作大功率微波二极管。同时,肖特基二极管是一种单电子器件,由多数载流子注入金属形成正向电流,不会发生电子的积累,因此相比于PN 结二极管具有更好的高频特性^[10] 。本文所介绍的 GaN微波二极管采用 AlGaN/GaN异质结材料,强自发极化与压电极化在异质结界面产生 2-DEG,具备约 10¹³/cm² 量级的电子面密度和高达2000cm²/V·s的迁移率,这些优势都更有利于其制作微波二极管,发展成熟的 GaN微波HEMT器件可以为结构类似的 GaN微波二极管提供工艺兼容和技术支撑,更有利于单片集成^[1] 。GaN肖特基二极管示意图如图1所示。

图1(a)所示为GaN肖特基二极管横截面示意图 ,该结构在阳极金属区域刻蚀凹槽至二维电子气下方,由于刻蚀区域已不存在二维电子气,该方法显著减小了与阳极金属的交叠面积,从而大幅减小了器件寄生 电容。同时 ,该结构的阳极金属与 凹槽侧壁接触形成 肖特基结 ,Ga面生长的GaN侧壁为非极性面 ,与 肖特基金属间具有更小 的功函数差 ,有效减小了器件开启电压 ,且 肖特基结与位错方向平行 ,电流方向与位错方 向垂直 ,有利于减小器件漏电。该结构的电容主要取决于 肖特基结以及 阳极搭在 凹槽边缘部分的面积,而与阳极金属的面积无关 ,因此低 电容器件的制备对工艺特征尺寸的要求不高,大大降低了制备难度。由于阳极金属必须完全覆盖刻蚀凹槽,而凹槽与阳极金属间的光刻套刻必须留有一定的工艺容差,因此该结构设计阳极金属半径大于凹槽半径,超出部分会形成搭 在凹槽边缘 的类似场板 的结构 ,称为overlap^[1] 。本文所 设计的GaN微波二极管 阳极采用金属Ni/Au,阴 阳极间距为1μm,overlap为0. 3μm,其基本工艺细节可参考文献[2] 和 [3]。图 1(b)为 该 二 极 管 在 线 性 坐 标 下 的I_F-R_on -V_F测试曲线,实测此器件可实现 1. 38Ω·mm的低导通电阻(最小微分正向导通电阻)、1. 05的理想因子(n)和 0. 83V的导通电压。此外,在 3V 的电压偏置下实现了1. 14A/mm的正向电流,在 4V的偏置下实现了 1. 3A/mm 的正向电流,使得该器件具有强大的电流处理能力。结电容Cj和截止频率 ⨍_T与电压的关系如图 1(c)所示,从曲线中可以得到器件 0. 65pF/mm的低零偏压结电容和 177. 4GHz的高截止频率(定义为⨍_T=1/(2π×R_on×C_j0))。反向电流-电压(I_R-V_R)电因数(J-FOM=⨍_T×BV)。高I_F、BV和 ⨍_T以及低R_on、V_on 和C_j0 为高功率、高频率的微波限幅模块设计奠定了基础^[11]。

2 基于GaN肖特基二极管的限幅器研究进展

GaN肖特基二极管具有高耐压、大 电流、驱动强、响应快等技术特点,基于这些优势,以GaN肖特基二极管为核心器件的限幅器电路可以进一步提高耐功率等级及响应时间,本文将介绍以此为基础的限幅电路设计。

2. 1 限幅器原理及电路类型

限幅电路的核心器件为限幅二极管,不同二极管的工作特性各不相同,基于二极管组成的限幅电路工作原理也有所差异。主要的限幅工作原理分为 3种 :整流二极管的整流限幅、变容二极管 的变容 限幅和利用PIN 二极管 的射频电导调制限幅。整流限幅的结构通常为两个整流二极管相对并联放置在传输线上,利用二极管导通产生的削波效应使负载电平稳定在某一定值,起到限制输入信号功率的效果。射频电导调制限幅主要通过PIN二极管的电导调制效应来实现。当输入信号为高功率微波信号时,在信号的正半周期内,PIN二极管两侧的载流子会在电压作用下向I层注入。当信号变为负半周期时 ,I层 内的载流子不能完全漂移出 I层或复合 ,这使得I层中的载流子不断积累 ,I层由高阻态变为低阻态 ,此时微波信号通过主链路时会有较大的反射,从而起到限幅作用。变容限幅是利用变容二极管的结电容随着二极管两端 电压变化的特性 ,当输入信号功率较小时 ,二极管的 电容几乎不发生变化 ,电路谐振使信号几乎可以无损通过 ;当输入信号功率较大时 ,变容二极管的结电容会增大 ,电路失谐使高功率信号反射回去,起到限幅作用^[7-8] 。按照电路结构,可以将限幅电路分为无源限幅电路、有源限幅电路和半有源限幅电路。限幅器电路架构如图 2所示。

如图2(a)所示 ,无源 限幅 电路通常为二极管对管并联或二极管与扼流电感并联,其中电感为二极管提供直流偏置。当输入小信号时 ,二极管可以看作 电容 ,与 电感构成并联谐振,使信号几乎无损通过;当输入大信号时,二极管等效为低阻抗电阻 ,此时电路不再谐振 ,而是通过失谐来反射入射功率 ,达到限制输出功率的 目的。无源限幅电路结构简单 ,不用额外添加外置 电路 ,但 由于其工作特性完全依靠限幅二极管自身特性,无源限幅电路的起限电平和限幅能力很难满足大功率输入下的应用需求。图2(b)所示为传统的半有源限幅电路结构,其原理是通过给大功率SiPIN限幅二级管提供直流偏置,以此来降低电路的起限电平,提高电路的限幅能力。当输入高功率微波信号时,半有源限幅电路通过耦合器耦合出一小部分能量,这部分能量通过检波二极管的作用将交流信号转换为直流信号,为大功率SiPIN限幅二极管提供直流偏置,半有源限幅电路通过耦合检波部分提供直流偏置,提高电路限幅能力,不用额外添加外置电路,不易受环境因素的影响,结构相对复杂。有源限幅电路是通过提供外置的电压源对大功率的SiPIN进行偏置,添加了外置电路,结构更为复杂,且需要提供全天候供电,故应用较少。

2.2使用GaN二极管的X波段3000W 限幅器

借助GaN肖特基二极管性能优势 ,使用半有源限幅电路结构 ,在8~10GHz频段设计了一款单路峰值耐功率 3000W(5μs/5‰)大功率限幅器。

2.2.1器件选型

X波段 3000W 限幅器采用耦合检波形式的半有源限幅电路拓扑结构,主链路限幅管采用 Si基 PIN管,全链路采用三级限幅结构,第一级 Si PIN管采用耦合检波链路实现半有源限幅,第二/三级采用 Si PIN形式的无源限幅电路,第一级半有源限幅 Si PIN耦合检波部分采用一只 GaN肖特基二极管为 Si PIN管提供驱动,其电路结构示意图如图 3所示。

在实 际设计 中 ,第一/二/三级器件分别采用Sky-works公司 CLA4607、CLA4604、CLA4601三种 Si PIN 限幅二极管 ,均为裸芯。第一级Si PIN的设计主要是根据输入功率大小及脉冲参数综合计算并考虑降额后确认所需管芯数量,第二/三级 Si PIN主要是对第一级限幅后的漏功率进行进一步限幅,提升系统隔离度并将尖峰泄露电平降至指标范围内。

根据Si PIN二极管的限幅原理 ,当二极管并联接入微带且 R_D≪ Z_O时,吸收功率可由式(1)确定。

P_diss=4R_DP_IN/Z_o(1)

式中,Z_O为端口特性阻抗,R_D为 P_IN二极管导通总电阻,P_diss为二极管吸收功率,P_IN为输入功率。

若 N个二极管并联等分射频功率 ,则能承受 的最大功率 P_max由式(2)决定^[5-6]。

P_max=N²Z_OP_diss/4R_D(2)

选用的第一级 Si PIN射频参数如表 1所列。

在连续波注入条件下,Si PIN的吸收功率Pdiss与二极管的连续波瞬态热阻θ_LO关系如下:

Pdiss=175-T_O/θ  (3)

式中,T_O为环境温度。

根据脉冲参数及图4所示不 同脉宽下的热阻归一化系数,结合式(4),可以计算得到等效连续波功率常温条件的瞬态热阻 θ。

θ=DF×θa +θp (4)

式中,DF表示脉冲信号占空比,θa为连续波时器件热阻,θp为相对于 1μs脉宽的归一化系数^[6](可从图 4中读取)。

根据式(2)可进一步计算得出N=4,为保证设计裕

ISO=20log(Z_ON/2R_s)  (5)

根据第一级Si PIN管数量及其正 向导通 电 阻 , 由式(5)计算得到第一级 SiPIN隔离器可以提供39. 9dB隔 离度。在输入功率峰值为65 dBm时 ,综合考虑尖峰泄 露、限幅器的响应时间及后级SiPIN的耐功率指标等 ,在第一级 SiPIN限幅器后增加两级小功率Si PIN管(均为单管芯并联) ,以保证整个系统满足限幅电平要求。

当第一级使用Si PIN器件的数量增加时 ,对传统二极管的带载能力提出了更高要求,通常情况下千瓦级以上限幅器需要在耦合通道使用多只检波二极管才能完成对第一级Si PIN的驱动 ,本文中前述 内容介绍了GaN二极管的优势是正向电流大 ,带载能力强 ,因此本文设计的大功率限幅器在耦合通道检波采用单只GaN微波肖特基二极管就可 以满足SiPIN需要 的带载能力 ,实际设计中首先对GaN 微波二极管的检波能力进行了测试 ,如图5所 示,在输入30dBm时,频带内输出直流电流大于200mA,可满足第一级 Si PIN驱动要求。

2.2.2电路仿真、加工及组装

借助ADS电磁仿真软件对 电路进行建模 ,如 图6所示 ,仿真电路中分别将SiPIN、GaN肖特基二极管进行了Spice建模 ,电路介质基板选择散热性能 良好 的AlN陶 瓷 ,板材厚度为 0. 254mm,介电常数为 8.6。

图7为插损及输入输 出驻波仿真结果 ,频带 内插损S21 小于0. 28 dB,输入端 口1及输 出端 口2驻波VSWR小于1.55。

图8(a)为完成电磁仿真优化后的电路加工版图,采用一版化设计方案,加工前配合实际组装时链路所用器件进行图纸预组装 ,并在主链路两侧预留调试位置 ,实际加工版图面积为6mm×4mm。

完成电路板加工后进行测试前组装 ,将隔直电容、二极管等器件与陶瓷基板电路、陶瓷基板电路与钼铜热沉分别用金锡或导电银浆进行粘接,链路上器件与微带线连接采用金丝或金带键合的方式,初步组装后的电路与测试夹具完成最终装配。图 8(b)所示为限幅器完整测试模块。

2.2.3模块测试

使用矢网对限幅器小信号参数进行测试,图9所示为测试与仿真结果对比,在设计频段8~10GHz带内,插损测试值<0. 68dB,与仿真值相 比恶化0.4 dB左右 ;驻波<1. 85,与仿真值相比恶化 0.3。

图10所示为千瓦级大功率测试平台 ,主要 由信号发生器、调制信号源、大功率行波管功放、示波器等组成 ,该测试系统可用于大功率限幅器的耐功率测试,将输入及输出待测器件的信号电平进行示波器采样后判断模块损毁情况。实测所设计加工模块在65 dBm(5μs,5‰)输入信号下限幅电平平坦值<20dBm。

2.3 使用GaN二极管的宽带大功率自检波限幅器

半有源限幅方案 中通常使用耦合器将部分输入信号耦合整流后给第一级PIN管提供导通 电压 ,在实际 电路设计中可以通过调节耦合器的耦合度进而控制进入检波管的射频功率 ,保证检波管工作在合适的功率范围 内 ,以往采用的耦合器检波方案主要是避免大功率信号对检波管的损伤。但在低频段限幅方案中,耦合器的小型化是设计难点之一,因此如何减小耦合器尺寸即整个电路版图面积是研究重点之一。为弥补低频段耦合检波半有源限幅器尺寸大的固有缺陷,提出了基于自检波架构的宽带大功率限幅电路的基本结构,如图11所示。其相对于耦合检波结构主要区别包括:电路结构上不使用耦合器;使用的 GaN SBD 直接并联到主链路上检波实现 Si PIN管所需的导通电压。这种方案称为基于 GaN二极管的自检波限幅器方案。

结合图11所示电路结构 ,对 自检波架构限幅原理进 行详细介绍。当输入信号为小信号 的情况下 ,GaN 微波 二极管未导通 ,因此并联检波 网络也不 向第一级PIN管提供偏置电压 ,第一级 PIN管不开启 ,输入信号可低插损通过。当输入信号达到GaN 微波二极管 的 阈值 电压时 ,GaN微波二极管开启 ,在GaN微波二极管开启后输入信号在通过主路时 ,GaN微波二极管会通过本身 的二极管整流功能将输入的射频信号生成为正电压信号,该正电压即为第一级 Si PIN导通所需的偏置电压。在并联 GaN微波二极管偏置 电压超过第一级PIN 二极管 的导通 门 限 时 ,使得 PIN二极管正向导通并呈现低阻态 ,整个射频链路阻抗失配,大部分射频功率因失配被反射回去,从而达到限幅的目的。自检波限幅方案的设计优势在于通过直接并联 GaN微波二极管的形式,省掉现有检波网络中的耦合器,降低了电路设计的复杂度并提升了射频电路的频率带宽。

在自检波限 幅器 的实际设计过程 中 ,GaN 微波二极 管自检波结构通常作用于限幅器的第一级Si PIN管。根据限幅器的输入信号类型及耐功率大小 的 区别 ,GaN微波二极管可以位于第一级Si PIN管前后不同的位置。当其位于第一级SiPIN之前 时 ,射频输入信号先作用 于GaN微波二极管 ,因此在输入信号较低时 ,检波二极管就可以输出足够大 的 电压使PIN管导通 ,这种结构在保持限幅器低起限功率的同时,可以将限幅器的最终输出功率维持在很低的电平。当 自检波结构位于第一级PIN之后时 ,射频输入信号在经过第一级Si PIN之后再作用 于GaN微波二极管 ,这种结构可以避免GaN微波二极管过早击穿,大幅提升限幅器耐功率等级。

基于自检波架构设计了一款可覆盖 0. 1~7GHz波段的限幅模块,实测在 0. 1~1GHz频段内插损小于 0.5dB,在0. 1~7GHz频 段 内插 损 小 于1.55dB。在1GHz和6GHz频点输入连续波耐功率分别为100W和50W,测试结果如图12(b)所示。

图13所示为 0.1~7GHz自检波与2~6GHz耦合检波两种限幅方案实物对比 , 实际电路面积减小了 约40%,使用自检波架构限幅方案可以进一步减小器件封装和测试夹具的尺寸,利于小型化应用。

2.4 全GaN肖特基二极管超快响应限幅MMIC

作为强电磁武器类型之一的超宽谱强电磁脉冲,其波形上升沿可达亚纳秒级别,被攻击设备中的电磁防护器件需要极快的响应时间才能对超宽谱强 电磁脉冲的亚纳秒级攻击起到有效的防护作用。近年来,对于快上升沿脉冲攻击信号的防护研究成为了限幅器研究的重点,目标是使限幅器的响应时 间尽量缩短 ,以满足亚纳秒电磁防护需求。肖特基二极管是一种多载流子器件 ,当信号作用时 ,可以快速反应,相对于传统的 GaAsPIN及 SiPIN限幅响应更快,为了验证全GaN肖特基二极管限幅MMIC的性能 ,尤其是需重点关注的响应时间问题 ,本文进行了相关电路设计并流片进行了测试验证^[7][10]。

全GaN肖特基二极管 限幅MMIC 的设计仿真采用前述提到的无源限幅架构,利用二极管的单向导电性使信号在预置的电平范围内有选择地传输一部分,即按限定的范围削平信号电压波幅。采用SBD对管形式的双向限幅电路可以对微波信号的正半周期和负半周期都进行限制,增加限幅器隔离度。使用ADS软件设计 了一款全GaN 肖特基二极管限幅电路 ,包括三级限幅结构 ,每一级均为对管形式 ,这样的连接方式可以保证在微波信号输入时 ,每一级始终有一只二极管处于导通状态,实现全周期内的限幅功能。所设计三级限幅结构的开启电压也逐级递减,这样可以保证大功率输入信号下限幅功率逐级递减,以保证限幅电平。每级的开启电压递减是通过在该级 串联不同数量的二极管实现的,本电路中第一/二/三级限幅结构中串联二极管的数量分别为 3/2/1。

设计完成后进行流片 ,图14(a)所示为完成流片及减薄的限幅芯片组装后的测试夹具。对限幅芯片的小信号和限幅功能进行 了测试 ,测试结果与仿真结果一致性较好,实测在 DC 8GHz频段内插损小于1. 5dB,图14(c)所示为在10W 连续波条件下的限幅电平测试 ,分别测试了 2GHz/5GHz/8GHz三个频点的输出功率曲线,在输入功率为 40dBm时 ,各频点限幅电平在15dBm以下。

针对全 GaN肖特基二极管限幅器更关注于其响应时间指标,本文进一步搭建了基于高速采样示波器的响应时间测试环境 ,对限幅器的响应时间进行评估。图15所示为响应时间测试组网示意图及实际测试环境,信号发生器产生一定脉宽和占空比的信号后经固态功放进行放大,分别在被测限幅器的输入/输出端 口进行信号的采样 ,根据采样示波器读取的射频信号限幅前后的信号幅度及包络变化对输入及输出信号进行区别,通过对比限幅前后射频信号的时域差测试得出限幅器的响应时间。组网中所选用的示波器型号为MS064B(厂家为 Tektronix)。

响应时间测试前对测试组网中的耦合器等无源模块的 延时进行了响应时间的评估,进一步减小了测试误差。图 16所示为实际的响应时间测试结果,图中①黄色采样信号为限幅器输入信号,红色信号为限幅器输出信号,对脉冲上升沿部分的响应时间进行局部放大,可以看到在限幅输入功率为40dBm时,其响应时间为 938ps,达到亚纳秒级别。

3基于GaN肖特基二极管限幅器的下一步研究展望

基于第三代半导体技术的大功率雷达系统正在发挥越来越大的作用 ,得益于信号调制技术的发展、器件耐功率等级的提高、天线性能的优化以及天线单元相位控制精度的提高 ,雷达发射功率得到数量级的提升 ,探测搜索距离及准确度越来越先进。雷达发射端能力的提升 同时对信息化武器的接收端也提出了更高的要求,强电磁武器攻击及自身发射系统大功率信号泄露造成的损伤威胁也越来越大。限幅器作为接收端电磁防护的主要器件之一,在保证雷达系统正常工作的同时,对强干扰信号可以做到有效的 自适应防护。

本文前述部分介绍了基于新一代GaN肖特基二极管限幅器的研究进展 ,结合GaN肖特基二极管器件技术进行深入探索。未来将在以下方面继续开展新一代限幅器开发相关工作 :结合 GaN肖特基二极管的性能优势,开展万瓦级以上限幅器的研究和开发,以现有半有源架构为基础,结合大耦合检波方案,配合使用大功率等级SiPIN器件搭建多个频段的超大功率限幅模块 ,同时在GaN二极管器件仿真模型非线性建模、器件及 电路散热、大功率击穿特性研究、大功率组装工艺等方面实现重点突破 ;开展 以 GaN及第四代半导体材料二极管为基础的 自检波异构 集成方案研究 ,以大功率等级限幅器为研究基础 ,通过工艺集成、组装方案研究、热设计优化等实现限幅器模块 的小型 化、宽 带 化、低 插 损 ; 继 续 开 展 全 GaN无 源限 幅 MMIC研究,进一步挖掘全 GaN限幅MMIC在响应时间 上的优势 ,进 一 步 提 升 耐功率等级,并将全GaN限 幅 MMIC与半有源及自检波等大功率方案进行结合,在限幅模块综合响应指标上进行优化,同时配合低噪声放大器开展全GaN限放模块的开发。

4结论

本文从限幅器的应用背景和作为防护器件的重要性出发 ,介绍了限幅器原理及限幅器 电路结构相关 内容 ,进一步结合在 GaN肖特基二极管上的研究进展对本文基于GaN肖特基二极管的大功率微波限幅技术进展进行了介绍 ,并对基于GaN肖特基二极管限幅器的下一步研究重点进行了展望。

利用GaN肖特基二极管性能优势 ,本文开发了X波段3000 W限幅功率模块 ,验证了GaN 二极管配合大功率 SiPIN可实现优异的限幅性能;使用GaN二极管配合实现的 自检波半有源方案限幅电路,可在0.1~7GHz频段内实现宽带限幅 ,相对于传统的耦合检波方案 ,电路面积减小约 40%;在全GaN二极管限幅MMIC研究方面 ,主要验证了 GaN二极管无源限幅方案在响应时间上的优势,为亚纳秒级电磁防护方案提供借鉴。下一步本文将依托GaN二极管相关技术及器件的研发 ,继续开展多个频段的万瓦级限 幅方案、异构集成小型宽带化方案 以及全GaN限幅及限放模块的研究。基于GaN肖特基二极管的大功率微波限幅技术在耐功率等级、宽带小型化、响应时间等方面已经表现出整体优势,本文将继续围绕强电磁防护需求开展相关工作。

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2025年第1期第1篇