探秘氮化镓 HEMT：脉冲雷达领域的 “实力担当”
探秘氮化镓 HEMT：脉冲雷达领域的 “实力担当”
氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）作为一种极具潜力的半导体器件，正逐渐在脉冲雷达领域崭露头角，成为推动雷达技术进步的关键力量。
雷达在国防和民用领域都有着至关重要的作用，从军事侦察、目标追踪，到民用的气象监测、航空导航等，都离不开雷达的精准探测。而对雷达性能的提升需求，促使人们不断探索更先进的技术和器件。GaN HEMT 的出现，为雷达技术的革新带来了新的机遇。
与传统的高功率、大带宽行波管（TWT）放大器相比，GaN HEMT 具有高增益、高开关速度和高功率密度的显著优势。这些优势使得它能够有效克服 TWT 放大器存在的诸多问题，如使用寿命相对较短，这是由于阴极耗尽导致的；长时间存储后开启时容易损坏；而且 TWT 放大器内部组件复杂，单点硬故障风险高，平均故障间隔时间（MTBF）较低。
在基于 GaN HEMT 的雷达设计中，脉冲放大器是核心部件，晶体管由直流偏置供电。对于一些应用场景，对直流偏置进行脉冲处理可以降低干扰和功耗。与连续波（CW）模式不同，脉冲操作在减少外部直流电源需求和发热方面表现出色。然而，这种操作方式也面临着挑战，其中在漏极侧实现高电流以及较短的开关时间是关键难题，不过 GaN 器件凭借自身特性为解决这些问题提供了可能。
需要注意的是，像 Wolfspeed 生产的 GaN HEMT 这类耗尽模式元件，通常在栅极 - 源极电压为零时导通。因此，在使用时必须先在栅极施加负电压使其关闭，这就对偏置设计提出了较高的要求。
在实现漏极脉冲方面，可以选择 P 沟道或 N 沟道调整 MOSFET 用于负载开关配置。使用 P 沟道 MOSFET 时，源极连接输入电压轨，漏极连接负载，要使开关打开，栅源电压 VGS 必须大于阈值电压 VTH。而使用 N 沟道 MOSFET 时，漏极连接输入电压轨，源极连接负载，输出电压为负载两端的电压，此时要打开开关，栅源电压 VGS 必须满足 VGS ≥ V 输出 + VTH ，这意味着 N 沟道负载开关需要第二个电压轨来控制栅极。不过，当开关时间要求不高时，P 沟道 MOSFET 能够提供更为简单的电路设计。
以一款使用 P 沟道负载开关的电路为例，它能够实现 1.9 μs 的导通时间，并在漏极侧提供高达 20 A 的电流。该电路采用 100V P 沟道 MOSFET SQM120P10，具备一系列特定的参数。通过合理设置电路中的元件，如 Zenner 二极管用于保护 MOSFET，R2 和 R5 构成分压器为 Q2 栅极提供控制电压，实现了对电路的精准控制。
当 J1 引脚 1 处的脉冲输入信号为低电平（>0.7 V）时，Q4 关断，Q2 也随之关断，PA_DRAIN 输出电压为 0 V；而当 J1 引脚 1 处的电压 > 1 V 时，N 沟道 FET Q4 导通，Q2 的 VGS 从 0 V 变为–8 V，从而使 Q2 导通。通过调整 R2 和 R5 的值，可以根据大电流应用的需求设置 Q2 的 VGS，进而降低 Q2 的导通电阻 RDS（ON），不过这可能会在一定程度上延迟关闭时间。在实际测试中，该电路展现出了良好的性能，例如在 Wolfspeed 测试时，漏极电流 ID 为 18 A，RDS（ON）≈ 0.01 Ω，输出电压接近直流输入电压（50 V）。
随着国防技术的不断发展，有源电子扫描阵列（AESA）技术逐渐兴起，它将雷达、电子支持、电子攻击和通信等多种射频功能整合在共享电子设备和天线孔径中。在这种趋势下，GaN HEMT 在尺寸、重量、功率和鲁棒性方面的优势将更加凸显，为雷达系统的升级和创新提供更有力的支持。
氮化镓 HEMT 凭借其独特的性能优势，在脉冲雷达领域已经取得了显著的成果，并且随着相关技术的进一步发展，它在未来的雷达应用中有望发挥更大的作用，推动雷达技术朝着更高性能、更可靠的方向不断迈进。无论是国防安全还是民用领域的发展，氮化镓 HEMT 都将成为不可或缺的关键技术支撑。
本文原文来自eefocus.com