GaN 打破壁垒——射频功率放大器变得更宽更高级

1.前言

电信领域对更高数据速率和工业系统更高分辨率的需求不断增长，推动支持它们的电子设备的工作频率更高。许多这些系统在很宽的频谱上运行，进一步增加带宽要求是对新设计的普遍要求。在许多这些系统中，都在推动对所有频段使用一个信号链。半导体技术的进步带来了高功率和宽带放大器能力的突破。由于 GaN 革命席卷整个行业并使 MMIC 能够在数十年的带宽内产生大于 1 W 的功率，因此曾经由行波管主导的领域已经开始让位于半导体器件。随着更短的栅极长度 GaAs 和 GaN 晶体管的面世，再加上改进的电路设计技术，新的器件不断涌现，它们可以在毫米波频率下轻松运行，开启了十年前难以想象的新应用。本文将简要描述支持这些发展的半导体技术的状态、实现最佳性能的电路设计考虑因素，以及展示当今技术的 GaAs 和 GaN 宽带功率放大器 (PA) 的示例。

许多无线电子系统在很宽的频率范围内工作。在军事工业中，雷达频段从几百 MHz 到几 GHz。需要在非常宽的带宽上工作的电子战和电子对抗系统。威胁可能来自各种频率，例如 MHz 到 20 GHz，甚至现在更高的频率。随着更多电子产品在更高频率下可用，对更高频率电子战系统的需求将激增。在电信领域，基站的工作频率范围为 450 MHz 至 ~3.5 GHz，并且随着对更多带宽的需求不断增加，基站的频率还在不断增加。卫星通信系统主要从 C 波段到 Ka 波段运行。用于测量这些不同电子设备的仪器需要在所有要求的频率范围内工作才能被普遍接受。其结果，系统工程师在尝试设计电子设备以覆盖整个频率范围时面临挑战。考虑到让一个信号链覆盖整个频率范围的可能性，大多数系统工程师和采购人员都会非常兴奋。让一个信号链覆盖整个频率范围有很多优势，包括更简单的设计、更快的上市时间、更少的组件库存管理等等。单一信号链方法的挑战始终与宽带解决方案与窄带解决方案带来的性能下降有关。这一挑战的核心是功率放大器，当在窄带宽上调谐时，它通常在功率和效率方面具有卓越的性能。大多数系统工程师和采购人员都会非常兴奋。让一个信号链覆盖整个频率范围有很多优势，包括更简单的设计、更快的上市时间、更少的组件库存管理等等。单一信号链方法的挑战始终与宽带解决方案与窄带解决方案带来的性能下降有关。这一挑战的核心是功率放大器，当在窄带宽上调谐时，它通常在功率和效率方面具有卓越的性能。大多数系统工程师和采购人员都会非常兴奋。让一个信号链覆盖整个频率范围有很多优势，包括更简单的设计、更快的上市时间、更少的组件库存管理等等。单一信号链方法的挑战始终与宽带解决方案与窄带解决方案带来的性能下降有关。这一挑战的核心是功率放大器，当在窄带宽上调谐时，它通常在功率和效率方面具有卓越的性能。单一信号链方法的挑战始终与宽带解决方案与窄带解决方案带来的性能下降有关。这一挑战的核心是功率放大器，当在窄带宽上调谐时，它通常在功率和效率方面具有卓越的性能。单一信号链方法的挑战始终与宽带解决方案与窄带解决方案带来的性能下降有关。这一挑战的核心是功率放大器，当在窄带宽上调谐时，它通常在功率和效率方面具有卓越的性能。

半导体技术

在过去的几年里，行波管 (TWT) 放大器在许多这些系统中作为输出功率放大器级在高功率电子设备中占据主导地位。TWT 有一些不错的属性，包括 kWs 的功率能力、在八度音程甚至多个八度音程带宽上运行、回退条件下的高效率以及良好的温度稳定性。TWT 有一些缺点，包括长期可靠性差、效率低以及需要非常高的工作电压（~1 kV 或更高）。鉴于半导体 IC 的长期可靠性，从 GaAs 开始，多年来一直在推动这些电子产品。在可能的情况下，许多系统工程师已经努力将多个 GaAs IC 组合起来以产生大的输出功率。整个公司的创建完全基于结合技术并有效地进行。组合技术有很多种，如空间组合、企业组合等，这些组合技术都遭遇同样的命运—组合有损失，理想情况下，您不必使用这些组合技术。这促使我们使用高功率电子设备来开始设计。增加功率放大器射频功率的最简单方法是增加电压，这使得氮化镓晶体管技术如此具有吸引力。如果我们比较各种半导体工艺技术，我们可以看到功率通常如何随着高工作电压 IC 技术而增加。硅锗 (SiGe) 技术使用 2 V 至 3 V 的相对较低的工作电压，但因其集成优势而极具吸引力。GaAs 多年来一直广泛用于微波频率的功率放大器，工作电压为 5 V 至 7 V。工作电压为 28 V 的硅 LDMOS 技术已在电信、但它主要在 4 GHz 以下有用，因此它在宽带应用中的应用并不广泛。在碳化硅 (SiC) 等低损耗、高导热衬底上以 28 V 至 50 V 电压运行的 GaN 技术的出现开辟了一系列新的可能性。今天，硅基氮化镓技术仅限于在 6 GHz 以下运行。与硅衬底相关的射频损耗及其与 SiC 相比较低的热导率会随着频率的增加而影响增益、效率和功率。图 1 显示了各种半导体技术的比较以及它们之间的比较。碳化硅 (SiC) 等高导热衬底开辟了一系列新的可能性。今天，硅基氮化镓技术仅限于在 6 GHz 以下运行。与硅衬底相关的射频损耗及其与 SiC 相比较低的热导率会随着频率的增加而影响增益、效率和功率。图 1 显示了各种半导体技术的比较以及它们之间的比较。碳化硅 (SiC) 等高导热衬底开辟了一系列新的可能性。今天，硅基氮化镓技术仅限于在 6 GHz 以下运行。与硅衬底相关的射频损耗及其与 SiC 相比较低的热导率会随着频率的增加而影响增益、效率和功率。图 1 显示了各种半导体技术的比较以及它们之间的比较。

图 1. 微波频率范围电力电子的工艺技术比较。

GaN 技术的出现推动了行业从 TWT 放大器转向使用 GaN 放大器作为其中许多系统的输出级。许多这些系统中的驱动放大器仍然通常是 GaAs，因为这种技术的大部分已经存在并不断改进。接下来我们将看看如何使用电路设计从这些宽带功率放大器中提取尽可能多的功率、带宽和效率。当然，基于 GaN 的设计能够比基于 GaAs 的设计具有更高的输出功率，并且设计考虑因素大致相同。

设计注意事项

在选择如何开始设计以优化功率、效率和带宽时，IC 设计人员可以使用不同的拓扑和设计考虑因素。最常见的单片放大器设计类型是多级、共源、基于晶体管的设计，也称为级联放大器设计。在这里，每一级的增益都成倍增加，从而导致高增益并允许我们增加输出晶体管的尺寸以增加 RF 功率。GaN 在这里提供了好处，因为我们能够大大简化输出组合器，减少损耗，从而提高效率，并缩小芯片尺寸，如图 2 所示。因此，我们能够实现更宽的带宽并提高表现。从 GaAs 转向 GaN 器件的一个不太明显的好处是实现给定的 RF 功率水平，可能是 4 W—晶体管尺寸将更小，从而导致每级更高的增益。它将导致每个设计的阶段更少，并最终提高效率。这种级联放大器技术的挑战在于，即使在 GaN 技术的帮助下，也很难在不显着降低功率和效率的情况下实现一个倍频程以上的带宽。

图 2. 多级 GaAs PA 与等效 GaN PA 的比较。

兰格耦合器

实现宽带宽设计的一种方法是在 RF 输入和输出上使用兰吉耦合器实现平衡设计，如图 3 所示。这里的回波损耗最终取决于耦合器设计，因为优化增益和功率变得更容易频率响应，而无需优化回波损耗。即使使用兰格耦合器，在一个倍频程上实现带宽也变得更加困难，但它们确实为设计提供了非常好的回波损耗。

图 3. 使用兰格耦合器的平衡放大器。

分布式放大器

下一个要考虑的拓扑是图 4 中所示的分布式功率放大器。分布式功率放大器的好处是通过将晶体管的寄生效应合并到设备之间的匹配网络中来实现的。器件的输入和输出电容可以分别与栅极和漏极线电感结合，使传输线几乎透明，不包括传输线损耗。通过这样做，放大器的增益应仅受器件的跨导限制，而不受与器件相关的电容寄生效应的限制。只有当沿栅极线传输的信号与沿漏极线传输的信号同相时才会发生这种情况，因此每个晶体管的输出电压与之前的晶体管输出同相。传输到输出端的信号将产生相长干扰，因此信号沿漏极线增长。任何反向波都会破坏性地干扰，因为这些信号不会同相。包括栅极线终端以吸收未耦合到晶体管栅极的任何信号。包括漏极线路终端以吸收任何可能破坏性干扰输出信号并改善低频回波损耗的反向行波。因此，能够实现从 kHz 到许多 GHz 的数十倍带宽。当需要超过一个倍频程的带宽时，这种拓扑很流行，并且有一些不错的好处，例如增益平坦、良好的回波损耗、高功率等。分布式放大器的图示如图 4 所示。

图 4. 分布式放大器的简化框图。

分布式放大器面临的一个挑战是功率能力由施加到设备上的电压决定。由于没有窄带调谐能力，您实际上是为晶体管或接近晶体管提供 50 Ω 阻抗。当我们考虑功率放大器的平均功率等式时，PA 的平均功率、R L或最佳负载电阻基本上变为 50 Ω。因此，可实现的输出功率由施加到放大器的电压决定，如果我们想增加输出功率，我们需要增加施加到放大器的电压。

这就是 GaN 变得非常有用的地方，因为我们可以快速从使用 GaAs 的 5 V 电源电压转换为使用 GaN 的 28 V 电源电压，并且只需从 GaAs 更改为 GaN 技术，可实现的功率就从 0.25 W 增加到近 8 W . 还有其他需要考虑的因素，例如 GaN 中可用工艺的栅极长度，以及它们是否可以在频带的高频端实现您需要的增益。随着时间的推移，更多的这些 GaN 工艺变得可用。

固定 R L与级联放大器相比，分布式放大器的 50 Ω 是不同的，在级联放大器中，我们通过匹配网络改变呈现给晶体管的电阻值，以优化放大器的功率。优化呈现给具有级联放大器的晶体管的电阻值的好处在于它可以提高射频功率。从理论上讲，我们可以继续增加晶体管外围尺寸以继续增加 RF 功率，但是这存在实际限制，例如复杂性、裸片尺寸和组合损耗。匹配网络也倾向于限制带宽，因为它们变得难以在宽频率上提供最佳阻抗。在分布式功率放大器中，只有传输线的目的是使信号沿放大器产生相长干扰，而不是匹配网络。还有其他技术可以进一步提高分布式放大器的功率，例如使用共源共栅放大器拓扑进一步增加放大器的电压供应。