适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天气雷达通常使用所谓的S波段雷达。S波段雷达通常以2-4 GHz的频率工作。由于波长和频率的原因，S波段雷达不容易衰减。这使得它们可用于近距离和远距离天气观测以及船上，以探测其他船只和陆地障碍物，并为避免碰撞和海上导航提供方位和距离。美国国家气象局（NWS）也使用S波段雷达。

雷达系统设计注意事项

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，我们将演示我们的新型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最佳的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、舰载或其他移动雷达系统），PCB面积和集成电路组件的选择/集成很快就会成为首要考虑因素。

前几代S波段雷达系统通常在2.7至3.1 GHz和3.1至3.5 GHz频段使用单独的PA。通常，每个频段使用相同的PA;但是，它使用外部组件对每个频段进行唯一匹配/调谐，以在频率上向上或向下移动响应。对于ICP3049P这样的器件，不再需要这种技术，因为整个频段被一个IC覆盖，从而消除了对这些外部元件的需求，从而节省了电路板空间。

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距非常近，可能会产生器件间EMI问题或散热挑战。

将额外热量散发（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频谱上运行。

雷达系统的可用直流功率因最终应用而异。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是无限的。在固定雷达中，最好优化输出功率的PA，以增加范围，但代价是直流功耗和更复杂的冷却系统。在移动机箱中，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器级选择MMIC或功率晶体管（带有外部匹配网络）。

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 器件。这些器件通常与 50 欧姆的特性阻抗匹配。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，从而可以更轻松地将它们集成到上游和下游电路中。

对于工艺技术，砷化镓传统上是MMIC的理想材料，其中有源和基本无源元件可以在单个GaAs芯片上轻松生产。与GaAs相比，转向用于更高功率PA的GaN-on-SiC MMIC可以实现功耗和重量降低30%以上，这对系统设计人员和OEM来说是一个巨大的收益。

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，从而节省了设计人员的PCB面积。许多MMIC设计还集成了电磁干扰保护（EMI），这使设计人员无需在设计中集成这些附加电路。最后，也许关键是MMIC是否采用标准半导体“封装”;这使系统设计人员不必处理裸片的要求，裸片在业界普遍认为裸片比封装裸片更难在制造环境中加工。

分立式RFMW功率器件特别适用于放大电路中的PA模块，原因有几个重要，但通常物理尺寸（以及匹配网络的尺寸）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能能够以更少的设备产生更多的功率。然而，我们认为ICP3049 MMIC标准功能能够在S波段维持70W，这往往会使分立功率晶体管的早期优势最小化。分立器件确实允许设计人员优化器件周围的匹配网络，并可能选择能够最大限度地提高特定应用的电路性能的PCB材料，但这对于更深奥的应用可能更理想，而不是那些每块板可能有×100个辐射元件的应用。最后，由于分立器件在板级匹配，因此设计团队能够以高效且比MMIC设计更省时的方式微调或修改设计性能。然而，随着许多类型的现代PA MMIC的可用性，到Ka频段及更高，这种优势变得更加专业化。

碳化镓器件

看看ICP3049P PA并考虑到所描述的设计限制，我们认为ICP3049P是业内唯一具有这种SWaP最大化性能规格的GaN-on-SiC器件：7×7 mm塑料QFN封装，覆盖整个S波段带宽为2.7-3.5 GHz，Pout 48–49 dBm，PAE为60%。60% 的高效率意味着该器件只需在输入端达到 24 dBm 即可实现 48 dBm 输出，并在 60.2–8.3 GHz 频段提供 5+ 瓦的输出功率。与 40 年代的组织 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更少的热量。然后，这种释放的热容量可用于新的电子功能或捕获为节能。从ICP0349P MMIC的集成方面来看，该器件具有混合输入匹配GaN晶体管，内部无源输入匹配网络采用经济高效的SiC基氮化镓工艺制造。该器件的输入在 50.2 至 7.3 GHz 范围内内部匹配至 5 Ω。

ICP3049P小封装尺寸为7.0×7.0×0.85mm，可实现具有同类最佳外形和高性能且仅需小PCB面积的新型S波段应用。ICP3049P需要减少雷达设计人员的设计工作;只需要提供适当的低频去耦，并确保PCB上的封装附件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。

审核编辑：郭婷