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S波段雷達LDMOS晶體管

發布時間：2023-11-17 15:05:49 瀏覽：1690

一、介紹

十多年前，LDMOS晶體管作為雙極晶體管的替代品被引入射頻功率應用。目前，LDMOS技術是基站應用的領先射頻功率技術，特別是1 GHz和2 GHz的GSM-EDGE和W-CDMA應用，以及最近的2.7GHz和3.8 GHz左右的WiMax應用。最后一個使用雙極器件的小眾應用領域是3-4 GHz微波領域，例如s波段雷達。主要原因是早期的LDMOS在3ghz時的性能與雙極相似，這不足以證明重新設計復雜雷達系統的合理性。LDMOS的主要驅動力是大量應用，這使得LDMOS技術不斷改進，這導致了最新一代LDMOS，它在s波段頻率上優于雙極，并具有一些額外的優勢，如堅固性和更好的熱性能。本文綜述了LDMOS在3 ~ 4ghz頻段的改進，并介紹了LDMOS在微波產品中的性能。

二、LDMOS優勢

LDMOS晶體管是電壓控制器件，因此不像雙極器件那樣有柵極電流流動。這種電壓控制允許更簡單和更便宜的偏置電路。另一個優點是與LDMOS后臺的源連接。雙極器件背面有一個收集器，需要將BeO封裝與鍵合線結合起來隔離。LDMOS允許用環保的陶瓷或塑料包裝取代有毒的BeO包裝。這是LDMOS的一大優勢。封裝內提供輸入和輸出匹配，以轉換阻抗水平并減少射頻損耗。批量源共晶焊接到封裝上，不需要源鍵合線，從而導致LDMOS晶體管的高增益。

LDMOS也比雙極具有更好的溫度穩定性。雙極器件具有正溫度系數，導致熱失控。因此，雙極需要像鎮流器電阻一樣精心設計溫度補償，以保護設備免受故障的影響。在大電流下，LDMOS具有負溫度系數，在完全通電時自動關閉器件。這導致了熱性能和堅固性方面的天然優勢。

LDMOS器件在脈沖持續時間方面具有很高的靈活性，這對于微波應用非常重要。LDMOS的公共源配置穩定了器件并防止了較低脈沖持續時間下的振蕩。

在過去十年中，LDMOS在3-4GHz頻率下的射頻性能也得到了顯著改善，明顯優于雙極性能。

三、LDMOS微波產品性能

技術的不斷改進造就了一流的微波產品。圖7展示了在2.7-3.1 GHz范圍內的100w寬帶匹配設備。繪制了第6代LDMOS器件、第4代LDMOS器件和雙極器件的增益圖。Gen4器件的增益只比雙極器件高0.5 dB，而Gen6器件的增益比雙極器件高5 dB以上。

此外，第6代LDMOS器件的功率增加了10 W，并且在整個頻段內具有更高的漏極效率。如圖8所示。顯然，與雙極技術相比，漏極效率已達到5- 10%的盈余。

另一種LDMOS微波產品是3.1-3.5 GHz頻率范圍內的s波段LDMOS。這款120w微波產品的增益和效率如圖9所示。

與最先進的雙極產品相比，S波段LDMOS明顯顯示出更好的增益和效率。在3.1 GHz時，效率接近50%，在高頻帶的高端，由于設備的寬帶匹配，仍然達到約44%。寬帶增益為11-12 dB。

四、微波產品可靠性

LDMOS產品的熱阻抗(ZTH)明顯優于雙極產品。例如，當脈沖長度為10秒，占空比為10%時，雙極的ZTH為0.28 K/W，而在相同條件下，第二代LDMOS等效器件的ZTH為0.13 K/W。此外，LDMOS器件的效率更高，如前文所示。低ZTH和高效率的結合使得LDMOS結溫更低，可靠性更高。這較低的結溫加上MOS器件的負溫度系數對LDMOS產品的超速性能有積極的影響。LDMOS的超速性能如圖10所示。該設備可以輕松承受5db的超速而不會降級。

微波產品可以承受較大的VSWR失配條件，并利用特殊優化的LDMOS工藝處理脈沖型信號。考慮到這個主題的重要性，我們將在單獨的出版物中詳細說明堅固性的改進。在相控陣雷達應用中，當大量放大器組合在一起時，插入相位成為一個重要的參數。LDMOS的公共源配置減少了耦合

在內部匹配電路中不同的鍵合線之間。這種配置與CMOS工藝控制相結合，提高了插入階段的擴展。與雙極相比，LDMOS的分布要窄得多。

五、射頻功率技術概述

在過去的十年中，LDMOS技術在性能上迅速發展，成為射頻功率晶體管的首選技術。本文重點介紹了LDMOS技術在微波應用中對雙極器件的替代，并闡述了LDMOS的優點。LDMOS是目前基站、廣播、ISM和微波應用設計的首選技術。GaAs技術很少用于這些應用，但首選用于移動電話放大器和高頻應用。對于較低功率水平(低于1w)，市場由CMOS主導。

新技術不斷發展，但尚未成熟，如射頻功率技術，其中可靠性是一個重要的標準。GaN現在已經取代了SiC，成為高頻、高功率應用中最有前途(但仍不成熟)的未來技術。這種技術可以打開實現先進的概念，如開關模式功率放大器。圖11概述了當今設計中的首選技術與功率和頻率的關系。我們看到LDMOS正在向高頻(> 4-5 GHz)應用和高功率應用擴展。LDMOS作為射頻電源技術已經占據了堅實的地位，并具有發展更多新應用的前景。

六、結論

綜上所述，我們已經展示了3.6 GHz LDMOS技術在過去十年中的改進概況。LDMOS技術已成為微波應用的器件選擇。所提出的用于s波段雷達的LDMOS微波產品輕松優于雙極產品，同時具有更好的堅固性和熱性能等額外優勢。

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