在L波段和S波段脉冲雷达应用中广泛使用高功率的分立式硅双极型晶体管，这些晶体管工作在丙类放大状态，在L波段的输出功率一般在200W~370W，在S波段一般在100W。而用户雷达系统的输出功率一般都在数千瓦的范围，远远高于单个晶体管的输出功率水平。用户通常会涉及1kW或2kW的组件，以此为基础组合多个组件，合成达到雷达系统所要求的输出功率水平。

传统方法

应用传统方法，用户将合成220W晶体管(1×4×16),并使用阻抗从2Ω变换到50Ω，而且工程设计和生产阶段也要进行RF电路的调试。传统方法在复杂性、时间、效率及性能上都有一定的不足。

例如，在L波段最为常用的2kW组件会使用21只晶体管，如1214-220M，采用如图1所示的1推4推16的结构来实现。此例中分立晶体管的端阻抗在1~2Ω之间，用户需要设计输入输出的外匹配电路将上述低阻抗变换到50Ω，从而与系统中其他的RF分系统对接使用。这些工作要求具备专门的RF/微波领域的知识、技能和经验，并且非常费时。在单个晶体管匹配到50Ω之后，用户还需要对4管和16管部分设计一到多路的输入功率分配到多到一路的输出合成电路在经过如此大数量的合成之后，由于16路合成器的损耗，组件整体的效率会下降50%到35~40%。同时，组件的尺寸也会很大，16个晶体管的偏置电路和低频滤波电路也增加了组件整体的复杂性和生产装配调试的劳动强度。

PSM方案及好处

PSM系列的设计目标即显著缩短系统设计时间，降低系统的复杂性。最重要的是，用户能够在设计和生产阶段降低成本，同时获得更高的效率和更小的尺寸，在重要应用中系统的可靠性也能得到改善。用户能够仅使用一只550W、700W、或800W的PSM模块来替换通常所需要的4只220W晶体管来实现其波段功率放大器的输出。图2所示为采用1214-800P所设计的2kW放大器。

L波段功率模块系列包括三个型号：1214-800P，1214-700P和214-550P。在1,200~1,400MHz带宽上完全实现50Ω的输入和输出，可用于脉冲雷达的大功率功放。这些模块工作在丙类工作状态，峰值输出功率分别达到550W以及800W，集电极效率超过50%，脉冲宽度及工作比更是达到300us和10%。其用户友好的特点可以做到即插即用而勿需额外的调试和复杂的阻抗匹配。

PSM产品系列采用Microsemi公司专有的管芯设计，高效功率合成以及先进的领先自动化装配和测试技术。其设计和制造的先进性保证了其性能超群的功率输出、增益、效率、尺寸等指标，同时达到大量生产条件下的出色一致性和可重复性。

功率模块的好处：

* 易于使用：50Ω输入和输出、即插即用；
* 显著缩短设计周期：不需复杂的RF阻抗匹配过程；
* 减小系统尺寸：PSM设计制造紧凑；
* 降低系统复杂性：合成次数较少，不需匹配；
* 改善系统性能：效率、可靠性以及重复性更高；
* 消除了系统中对功率管装配和RF调试的时间；
* 极大提高产品合格率：降低功率管的损坏；
* 减少远见库存；
* 可根据用户的指标进行用户定制。

PSM的关键参数和设计方法

L波段PSM关键产品的特点：

覆盖频率：1,200~1,400MHz
中脉冲格式：300us，10%
大输出功率：>550W；>700W；>800W
高增益：>8dB
效率：>50%
工作状态：Class C
紧凑尺寸：81.3×50.8×5.3mm

PSM模块中采用的NPN硅双极结型晶体管是在MicrosemiPPG- RF产品部门设计制造的。晶体管具有交叉指几何结构，发射极间节距很小以增加发射极外围对基极范围的比值。这种芯片的比值为8mil。发射极外围和晶体生长材料经过挑选来在50V偏置时获得每芯片100W的功率。采用双层金金属化来降低输出电容(Com)，也以此在L波段达到优异的MTTF。镍铬合金发射极镇流电阻被用来达到更好的线性。

晶体管芯片被粘贴在40mil厚的金属化的氧化铍(BeO)基座之上，其下是60mil厚的CuW法兰。晶体管封装内部金属-硝酸盐-金属(MNM)电容做了输入输出匹配处理，这些电容也是由Microsemi的PPG-R制造的。输入匹配网络由两级低通阻抗匹配变换器构成，利用了的引线的串联电感和并联焊接于金属地板的MNM电容器的电容。输出匹配包括引线的并联电感，这些引线连接隔离的集电极管芯到焊接于金属地板上的隔直至电容。所有的引线整齐有序，有利于全自动化焊接和量产的一致性。引线总数达369条之多。图3所示为单端晶体管的内部结构。为达到最高的可靠性，所有晶体管密封焊接。

经过内部匹配设计处理后得到的单端输入、输出阻抗见表1。源阻抗Zs和负载阻抗Zl用TRL方法进行测量，分别为从晶体管看出的值。

电路概述(以1214-800P为例)：

功率模块的设计采用了罗杰公司的RT/Duriod敷铜印制板。1214-800P功率模块的紧凑尺寸为：81.3×50.8×5.3mm，这对希同机和大小受限的用户很具有吸引力。印制板的表面也经过电镀处理以防铜的氧化。

此功率模块采用的功率合成技术为Wikinson合路器/分路器。晶体管的输入输出阻抗先分别变化到25Ω的中间阻抗，通过Wikinson合路器/分路器变换到50Ω。射频扼流部分采用了四分之一波长线(1,300MHz)。两个晶体管之间的隔离采用了两个50Ω高功率AIN电阻，分别置于合路器和分路器一端。计算机模拟表明其隔离在20dB以上。为获得较高的输出功率和效率，晶体管工作在丙类共基极状态。800W功率模块如图4所示。

RF性能测试

为测试功率模块的性能，制作了测试夹具，输入输出端以SMA连接器连接。两边偏置电路分别焊接4000Uf高压电容。最后，功率模块底部安装在铝制散热器之上，并以风扇进行冷却。

800W功率模块在300us脉宽，10%占空比和50V供电电压下的性能测试结果如图5、6所示。输出功率取脉冲中间峰值，此例中为150us处功率值。在输入激励功率为110W时，在1,400MHz获得800W输出功率，相当于8.6dB增益,如图5所示。在1,200MHz，同样的输入激励给出893W输出功率，增益为9.1dB。此功率模块的输出功率增益平坦度优于0.5dB。在P_IN=110W时，集电极效率在50%左右。1,300MHz时拍摄到的典型脉冲的情况，如图6所示。顶降的典型值小于0.3dB，这说明整个热设计是优异的。在1,200MHz~1,400MHz的带宽上，回波损耗均小于-12dB。

用于S波段脉冲雷达的PSM系列

S波段脉冲雷达应用对功率模块的需求在增长。S波段PSM系列也包括三种基本产品，覆盖2,700~3,400MHz频段：2731-200P和3134-180P。

S波段PSM关键产品指标：

型号：2731-200P、2729-300P、3134-180P
覆盖频率：2,700~3,100MHz、2,700~2,900MHz、3,100~3,400MHz
中脉冲格式：200us,10% 200us,10% 100us,10%
大输出功率：>200W>300W>180W
高增益：>7dBm>7dB>7dB
+36V工作电压+36V:Class C Class C Class C
紧凑尺寸：50.8×35.6×5.3mm 50.8×35.6×5.3mm
69.9×38.1×5.3mm

设计思想和量产能力

Microsemi公司PPG部门采用即插即用概念，已经涉及和制造功率模块通过内在的阻抗变换网络在输入和输出端获得了50Ω的端阻抗。用户能够不经阻抗变换处理而将功率模块嵌入其系统的功率组件，获得更短的设计周期、简化的功率组件、缩小的系统尺寸，提高系统可靠性、晶体管的合格率，降低元件库存数量的好处，同时，输出功率和效率得以显著地提高。