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S波段雷达LDMOS晶体管

发布时间：2023-11-17 15:05:49     浏览：982

一、介绍

十多年前，LDMOS晶体管作为双极晶体管的替代品被引入射频功率应用。目前，LDMOS技术是基站应用的领先射频功率技术，特别是1 GHz和2 GHz的GSM-EDGE和W-CDMA应用，以及最近的2.7GHz和3.8 GHz左右的WiMax应用。最后一个使用双极器件的小众应用领域是3-4 GHz微波领域，例如s波段雷达。主要原因是早期的LDMOS在3ghz时的性能与双极相似，这不足以证明重新设计复杂雷达系统的合理性。LDMOS的主要驱动力是大量应用，这使得LDMOS技术不断改进，这导致了最新一代LDMOS，它在s波段频率上优于双极，并具有一些额外的优势，如坚固性和更好的热性能。本文综述了LDMOS在3 ~ 4ghz频段的改进，并介绍了LDMOS在微波产品中的性能。

二、LDMOS优势

LDMOS晶体管是电压控制器件，因此不像双极器件那样有栅极电流流动。这种电压控制允许更简单和更便宜的偏置电路。另一个优点是与LDMOS后台的源连接。双极器件背面有一个收集器，需要将BeO封装与键合线结合起来隔离。LDMOS允许用环保的陶瓷或塑料包装取代有毒的BeO包装。这是LDMOS的一大优势。封装内提供输入和输出匹配，以转换阻抗水平并减少射频损耗。批量源共晶焊接到封装上，不需要源键合线，从而导致LDMOS晶体管的高增益。

LDMOS也比双极具有更好的温度稳定性。双极器件具有正温度系数，导致热失控。因此，双极需要像镇流器电阻一样精心设计温度补偿，以保护设备免受故障的影响。在大电流下，LDMOS具有负温度系数，在完全通电时自动关闭器件。这导致了热性能和坚固性方面的天然优势。

LDMOS器件在脉冲持续时间方面具有很高的灵活性，这对于微波应用非常重要。LDMOS的公共源配置稳定了器件并防止了较低脉冲持续时间下的振荡。

在过去十年中，LDMOS在3-4GHz频率下的射频性能也得到了显著改善，明显优于双极性能。

三、LDMOS微波产品性能

技术的不断改进造就了一流的微波产品。图7展示了在2.7-3.1 GHz范围内的100w宽带匹配设备。绘制了第6代LDMOS器件、第4代LDMOS器件和双极器件的增益图。Gen4器件的增益只比双极器件高0.5 dB，而Gen6器件的增益比双极器件高5 dB以上。

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此外，第6代LDMOS器件的功率增加了10 W，并且在整个频段内具有更高的漏极效率。如图8所示。显然，与双极技术相比，漏极效率已达到5- 10%的盈余。

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另一种LDMOS微波产品是3.1-3.5 GHz频率范围内的s波段LDMOS。这款120w微波产品的增益和效率如图9所示。

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与最先进的双极产品相比，S波段LDMOS明显显示出更好的增益和效率。在3.1 GHz时，效率接近50%，在高频带的高端，由于设备的宽带匹配，仍然达到约44%。宽带增益为11-12 dB。

四、微波产品可靠性

LDMOS产品的热阻抗(ZTH)明显优于双极产品。例如，当脉冲长度为10秒，占空比为10%时，双极的ZTH为0.28 K/W，而在相同条件下，第二代LDMOS等效器件的ZTH为0.13 K/W。此外，LDMOS器件的效率更高，如前文所示。低ZTH和高效率的结合使得LDMOS结温更低，可靠性更高。这较低的结温加上MOS器件的负温度系数对LDMOS产品的超速性能有积极的影响。LDMOS的超速性能如图10所示。该设备可以轻松承受5db的超速而不会降级。

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微波产品可以承受较大的VSWR失配条件，并利用特殊优化的LDMOS工艺处理脉冲型信号。考虑到这个主题的重要性，我们将在单独的出版物中详细说明坚固性的改进。在相控阵雷达应用中，当大量放大器组合在一起时，插入相位成为一个重要的参数。LDMOS的公共源配置减少了耦合

在内部匹配电路中不同的键合线之间。这种配置与CMOS工艺控制相结合，提高了插入阶段的扩展。与双极相比，LDMOS的分布要窄得多。

五、射频功率技术概述

在过去的十年中，LDMOS技术在性能上迅速发展，成为射频功率晶体管的首选技术。本文重点介绍了LDMOS技术在微波应用中对双极器件的替代，并阐述了LDMOS的优点。LDMOS是目前基站、广播、ISM和微波应用设计的首选技术。GaAs技术很少用于这些应用，但首选用于移动电话放大器和高频应用。对于较低功率水平(低于1w)，市场由CMOS主导。

新技术不断发展，但尚未成熟，如射频功率技术，其中可靠性是一个重要的标准。GaN现在已经取代了SiC，成为高频、高功率应用中最有前途(但仍不成熟)的未来技术。这种技术可以打开实现先进的概念，如开关模式功率放大器。图11概述了当今设计中的首选技术与功率和频率的关系。我们看到LDMOS正在向高频(> 4-5 GHz)应用和高功率应用扩展。LDMOS作为射频电源技术已经占据了坚实的地位，并具有发展更多新应用的前景。

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六、结论

综上所述，我们已经展示了3.6 GHz LDMOS技术在过去十年中的改进概况。LDMOS技术已成为微波应用的器件选择。所提出的用于s波段雷达的LDMOS微波产品轻松优于双极产品，同时具有更好的坚固性和热性能等额外优势。


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