用于航空航天和国防应用的新型 S 波段功率放大器

海洋、航空航天和国防应用 以及气象雷达通常使用所谓的 S 波段雷达。S 波段雷达通常在 2–4 GHz 的频率下工作。由于波长和频率的原因，S 波段雷达不易衰减。这使得它们可用于近距离和远距离天气观测，以及在船上探测其他船只和陆地障碍物，并为避免碰撞和海上航行提供方位和距离。国家气象局 (NWS) 也使用 S 波段雷达。

雷达系统设计考虑

S 波段雷达系统的设计人员通常专注于改进尺寸、重量和功率 (SWaP)。在本文中，我们展示了我们的新型 Microchip 70W ICP3049P 2.7–3.5 GHz 功率放大器 (PA)如何为在 S 波段运行的无线雷达系统提供业界一流的 SWaP 性能和最高效率。

当雷达系统设计人员进行新设计或向现有平台添加功能时，他们会考虑许多参数。如果预期用例是移动的（机载、船载或其他移动雷达系统），PCB 面积和集成电路组件的选择/集成很快成为首要考虑因素。

前几代 S 波段雷达系统通常为 2.7 至 3.1 GHz 和 3.1 至 3.5 GHz 波段使用单独的 PA。通常，每个频段使用相同的 PA；但是，它通过使用外部元件将响应频率上移或下移来独特地匹配/调谐到每个频段。有了 ICP3049P 这样的器件，就不再需要这种技术了，因为整个频段都由一个 IC 覆盖，从而通过消除对这些外部元件的需求来节省电路板空间。

随着相控阵天线雷达系统的日益普及，对 PA 提出了许多具有挑战性的要求。在确定相控阵雷达系统中使用的 PA 发射机系列的规格时，必须仔细考虑系统的要求。以下是一些必须遵守的常见设计注意事项和设计约束：

• 印刷电路板 (PCB) 区域在相控阵雷达中可能供不应求。这可能会导致辐射元件间隔非常近，从而可能产生设备到设备的 EMI 问题或散热挑战。

• 将额外热量消散（吸收）到系统中的能力可能非常有限。

• 操作频率可能因雷达系统而异。例如，在 S 波段，可能需要在整个 2.7 至 3.5 GHz 频谱范围内运行。

• 雷达系统可用的直流电源因终端应用而异。与对移动雷达系统施加的更严格要求相比，固定地面雷达的直流电源和冷却通常不受限制。在固定雷达中，最好针对输出功率优化 PA，以增加范围，但代价是直流功耗和更复杂的冷却系统。在移动设备中，PA 可以针对 PAE 进行优化，以最大限度地降低功耗并简化冷却要求。

• 设计人员是否应该为功率放大级选择MMIC或功率晶体管（具有外部匹配网络）。

MMIC 与分立功率晶体管

单片微波集成电路 (MMIC) 是在微波频率（300 MHz 至 300 GHz）下工作的 IC 设备。这些设备通常匹配 50 欧姆的特性阻抗。这使得 MMIC 比单个 RFMW 功率晶体管更易于使用，因为您不需要外部匹配电路来级联 MMIC，从而更容易将它们集成到上游和下游电路中。

对于工艺技术，GaAs 传统上是 MMIC 的理想材料，其中有源和基本无源元件可以很容易地在单个 GaAs 芯片上生产。与 GaAs 同类产品相比，将 GaN-on-SiC MMIC 用于更高功率的 PA 可以降低 30% 以上的功耗和重量，这对系统设计师和 OEM 来说是一个巨大的收获。

现在，使用 MMIC 器件作为 PA 而不是分立晶体管可以提供尺寸优势，因为 MMIC 将构建复杂系统所需的电路缩小到相对较小的封装，从而节省设计人员的 PCB 面积。许多 MMIC 设计还包含电磁干扰保护 (EMI)，这使设计人员无需在设计中包含这些额外的电路。最后，也许关键是 MMIC 是否在标准半导体“封装”中可用；这使系统设计人员无需处理裸芯片的相关要求，业界普遍认为裸芯片在制造环境中比封装芯片更难处理。

出于几个重要原因，分立式 RFMW 功率器件特别适合放大电路中的 PA 模块，但通常在物理尺寸（以及匹配网络的尺寸）方面更大。分立器件通常具有比 MMIC 器件高得多的输出功率能力。这意味着设计人员可以从更少的设备中产生更多的能量。然而，我们看到 ICP3049 MMIC 标准功能能够在 S 波段维持 70W，这往往会削弱分立功率晶体管的早期优势。分立器件确实允许设计人员优化器件周围的匹配网络，并可能选择 PCB 材料来最大化特定应用的电路性能，但这可能更适合更深奥的应用，不是那些每块板可能有 ×100 个辐射元件的。最后，由于分立器件在板级匹配，设计团队可以以一种比 MMIC 设计可用的更高效、更省时的方式微调或修改设计的性能。然而，随着许多类型的现代 PA MMIC 在 Ka 频段及更高频段的可用性，这种优势变得更加专业化。

GaN-on-SiC 器件

查看 ICP3049P PA 并考虑所描述的设计限制，我们将 ICP3049P 视为业内唯一具有此 SWaP 最大化性能规格集的 GaN-on-SiC 器件：7×7 mm 塑料 QFN 封装，涵盖整个 S 波段带宽为 2.7–3.5 GHz，Pout 为 48–49 dBm，PAE 为 60%。60% 的高效率意味着该设备在输入端仅需 24 dBm 即可实现 48 dBm 输出，并在 2.8–3.5 GHz 频带内提供 60+ 瓦的输出功率。与 40 年代的历史 S 波段 PAE 相比，这种效率是一个进步。对于雷达升级，这意味着系统需要散发的热量更少。然后，释放出的热容量可用于新的电子功能或作为节能捕获。研究 ICP0349P MMIC 的集成方面，该器件有一个混合输入匹配 GaN 晶体管，内部无源输入匹配网络采用经济高效的 GaN-on-SiC 工艺制造。该器件的输入在 2.7 至 3.5 GHz 范围内内部匹配至 50 Ω。

ICP3049P 7.0 × 7.0 × 0.85mm 的小封装尺寸使新的 S 波段应用具有同类最佳的外形尺寸和高性能，并且只需要很小的 PCB 面积。ICP3049P 减少了雷达设计师的设计工作；只需提供适当的低频去耦并确保与 PCB 的封装连接提供可靠的电气接地和导热路径。我们的 ICP0349 非常适合商业和国防雷达应用。