電信領(lǐng)域?qū)Ω邤?shù)據(jù)速率和工業(yè)系統(tǒng)更高分辨率的需求不斷增長，這推動(dòng)了支持它們的電子設(shè)備的運(yùn)行頻率更高。其中許多系統(tǒng)在寬頻譜上運(yùn)行，進(jìn)一步提高帶寬要求是新設(shè)計(jì)的常見要求。在許多這樣的系統(tǒng)中，有一個(gè)推動(dòng)力是對所有頻段使用一個(gè)信號鏈。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致了高功率和寬帶放大器能力的突破。由于席卷整個(gè)行業(yè)的GaN革命，曾經(jīng)由行波管主導(dǎo)的領(lǐng)域已經(jīng)開始讓位于半導(dǎo)體器件，并使MMIC能夠在數(shù)十年的帶寬上產(chǎn)生>1 W的功率。隨著柵極長度更短的GaAs和GaN晶體管的出現(xiàn)，再加上電路設(shè)計(jì)技術(shù)的改進(jìn)，新的器件正在出現(xiàn)，這些器件可以舒適地執(zhí)行毫米波頻率，開辟了十年前難以想象的新應(yīng)用。本文將簡要介紹實(shí)現(xiàn)這些發(fā)展的半導(dǎo)體技術(shù)現(xiàn)狀、實(shí)現(xiàn)最佳性能的電路設(shè)計(jì)考慮因素，以及演示當(dāng)今技術(shù)的GaAs和GaN寬帶功率放大器（PA）示例。

許多無線電子系統(tǒng)在很寬的頻率范圍內(nèi)工作。在軍事工業(yè)中，雷達(dá)頻段從幾百M(fèi)Hz到許多GHz。需要在非常寬的帶寬上工作所需的電子戰(zhàn)和電子對抗系統(tǒng)。威脅可能來自各種頻率，例如 MHz 到 20 GHz，甚至今天的更高頻率。隨著更多電子設(shè)備在更高頻率下可用，對更高頻率電子戰(zhàn)系統(tǒng)的需求將激增。在電信領(lǐng)域，基站的工作頻率范圍為450 MHz至~3.5 GHz，并且隨著對更多帶寬需求的持續(xù)而不斷增加。衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要從C波段到Ka波段運(yùn)行。用于測量這些不同電子設(shè)備的儀器需要在所有需要的頻率下工作才能被普遍接受。因此，系統(tǒng)工程師在嘗試設(shè)計(jì)涵蓋整個(gè)頻率范圍的電子設(shè)備時(shí)面臨著挑戰(zhàn)。考慮到一個(gè)信號鏈覆蓋整個(gè)頻率范圍的可能性，大多數(shù)系統(tǒng)工程師和采購人員都會(huì)非常興奮。一個(gè)信號鏈覆蓋整個(gè)頻率范圍有很多優(yōu)勢，包括更簡單的設(shè)計(jì)、更快的上市時(shí)間、更少的元件庫存管理等等。單一信號鏈方法的挑戰(zhàn)始終與寬帶解決方案與窄帶解決方案的性能下降有關(guān)。這一挑戰(zhàn)的核心是功率放大器，當(dāng)在窄帶寬上進(jìn)行調(diào)諧時(shí)，功率放大器通常在功率和效率方面具有卓越的性能。

半導(dǎo)體技術(shù)

在過去的幾年中，行波管（TWT）放大器在許多此類系統(tǒng)中作為輸出功率放大器級主導(dǎo)了高功率電子設(shè)備。TWT有一些不錯(cuò)的屬性，包括千瓦功率的能力，在倍頻程甚至多個(gè)倍頻程帶寬上運(yùn)行，在回退條件下的高效率以及良好的溫度穩(wěn)定性。TWT有一些缺點(diǎn)，包括長期可靠性差，效率較低，以及需要非常高的電壓來工作（~1 kV或更高）。鑒于半導(dǎo)體IC的長期可靠性，從GaAs開始，多年來一直在推動(dòng)這些電子產(chǎn)品的發(fā)展。在可能的情況下，許多系統(tǒng)工程師都致力于組合多個(gè)GaAs IC以產(chǎn)生大輸出功率。整個(gè)公司的創(chuàng)建完全基于結(jié)合技術(shù)并有效地進(jìn)行。有許多不同類型的組合技術(shù)，例如空間組合，企業(yè)組合等。這些組合技術(shù)都遭受著同樣的命運(yùn)——組合有損失，理想情況下，你不必使用這些組合技術(shù)。這促使我們使用高功率電子設(shè)備來開始設(shè)計(jì)。增加功率放大器RF功率的最簡單方法是增加電壓，這使得氮化鎵晶體管技術(shù)如此具有吸引力。如果我們比較各種半導(dǎo)體工藝技術(shù)，我們可以看到功率通常如何隨著高工作電壓IC技術(shù)而增加。硅鍺（SiGe）技術(shù)使用相對較低的2 V至3 V工作電壓，但其集成優(yōu)勢非常有吸引力。多年來，GaAs一直廣泛用于微波頻率的功率放大器，工作電壓為5 V至7 V.工作在28 V的硅LDMOS技術(shù)已在電信領(lǐng)域使用多年，但它主要用于4 GHz以下，因此在寬帶應(yīng)用中應(yīng)用不那么廣泛。GaN技術(shù)的出現(xiàn)，在碳化硅（SiC）等低損耗、高導(dǎo)熱性襯底上工作在28 V至50 V，開辟了一系列新的可能性。如今，硅基氮化鎵技術(shù)僅限于低于6 GHz的工作。與SiC相比，與硅襯底相關(guān)的RF損耗及其較低的導(dǎo)熱性會(huì)隨著頻率的增加而損害增益、效率和功率。圖1顯示了各種半導(dǎo)體技術(shù)的比較以及它們之間的比較。

圖1.微波頻率范圍電力電子的工藝技術(shù)比較。

GaN技術(shù)的出現(xiàn)使行業(yè)從TWT放大器轉(zhuǎn)向GaN放大器作為許多此類系統(tǒng)的輸出級。許多這些系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)放大器仍然通常是GaAs，因?yàn)槠渲性S多技術(shù)已經(jīng)存在并繼續(xù)改進(jìn)。接下來，我們將了解如何使用電路設(shè)計(jì)從這些寬帶功率放大器中提取盡可能多的功率、帶寬和效率。當(dāng)然，基于GaN的設(shè)計(jì)能夠比基于GaAs的設(shè)計(jì)具有更高的輸出功率，并且設(shè)計(jì)考慮因素大致相同。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

IC設(shè)計(jì)人員在選擇如何開始設(shè)計(jì)以優(yōu)化功耗、效率和帶寬時(shí)，可以使用不同的拓?fù)浜驮O(shè)計(jì)考慮因素。最常見的單芯片放大器設(shè)計(jì)類型是基于晶體管的多級、共源、晶體管設(shè)計(jì)，也稱為級聯(lián)放大器設(shè)計(jì)。在這里，增益從每級成倍增加，導(dǎo)致高增益，并允許我們增加輸出晶體管尺寸以增加RF功率。GaN在這方面提供了好處，因?yàn)槲覀兡軌虼蟠蠛喕敵龊下菲鳎档蛽p耗，從而提高效率，并縮小芯片尺寸，如圖2所示。因此，我們能夠?qū)崿F(xiàn)更寬的帶寬并提高性能。使用GaAs使用GaN器件的一個(gè)不太明顯的好處是達(dá)到給定的RF功率電平，可能是4 W，晶體管尺寸會(huì)更小，從而獲得更高的每級增益。這將導(dǎo)致每個(gè)設(shè)計(jì)的階段更少，并最終提高效率。這種級聯(lián)放大器技術(shù)的挑戰(zhàn)在于，即使借助GaN技術(shù)，也很難在不顯著損害功率和效率的情況下實(shí)現(xiàn)倍頻程以上的帶寬。

圖2.多級砷化鎵PA與等效GaN PA的比較。

朗格耦合器

實(shí)現(xiàn)寬帶寬設(shè)計(jì)的一種方法是在RF輸入和輸出端采用朗格耦合器實(shí)現(xiàn)平衡設(shè)計(jì)，如圖3所示。這里的回波損耗最終取決于耦合器設(shè)計(jì)，因?yàn)樵谡麄€(gè)頻率范圍內(nèi)優(yōu)化增益和功率響應(yīng)變得更加容易，而不需要優(yōu)化回波損耗。即使使用朗格耦合器，實(shí)現(xiàn)超過倍頻程的帶寬也變得更加困難，但它們確實(shí)為設(shè)計(jì)提供了非常好的回波損耗。

圖3.使用朗格耦合器的平衡放大器。

分布式放大器

下一個(gè)要考慮的拓?fù)涫菆D4所示的分布式功率放大器。分布式功率放大器的優(yōu)勢在于將晶體管的寄生效應(yīng)集成到器件之間的匹配網(wǎng)絡(luò)中。該器件的輸入和輸出電容可分別與柵極和漏極線路電感相結(jié)合，使傳輸線幾乎透明，不包括傳輸線損耗。這樣，放大器的增益應(yīng)僅受器件跨導(dǎo)的限制，而不受器件相關(guān)容性寄生效應(yīng)的限制。僅當(dāng)沿柵極線傳播的信號與沿漏極線傳播的信號同相時(shí)，才會(huì)發(fā)生這種情況，因此每個(gè)晶體管的輸出電壓與前一個(gè)晶體管輸出同相。傳輸?shù)捷敵龆说男盘枌a(chǎn)生建設(shè)性干擾，使信號沿漏極管線增長。任何反向波都會(huì)產(chǎn)生破壞性干擾，因?yàn)檫@些信號不會(huì)同相。包括柵極線端接以吸收未耦合到晶體管柵極的任何信號。漏極管端接用于吸收任何可能破壞性干擾輸出信號的反向行波，并改善低頻時(shí)的回波損耗。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)從kHz到許多GHz的數(shù)十年帶寬。當(dāng)需要超過一個(gè)倍頻程的帶寬并且有一些不錯(cuò)的好處時(shí)，這種拓?fù)浜苁軞g迎，例如平坦的增益、良好的回波損耗、高功率等。分布式放大器的示意圖如圖4所示。

圖4.分布式放大器的簡化框圖。

分布式放大器面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是功率能力取決于施加到器件的電壓。由于沒有窄帶調(diào)諧功能，因此您基本上為晶體管提供50 Ω阻抗或接近晶體管。當(dāng)我們考慮功率放大器的平均功率方程時(shí)，PA的平均功率，RL或最佳負(fù)載電阻，基本上變?yōu)?0 Ω。因此，可實(shí)現(xiàn)的輸出功率由施加到放大器的電壓設(shè)定，因此，如果我們想增加輸出功率，我們需要增加施加到放大器的電壓。

這就是GaN變得非常有用的地方，因?yàn)槲覀兛梢钥焖購腉aAs的5 V電源電壓轉(zhuǎn)換為GaN中的28 V電源電壓，并且只需從GaAs更改為GaN技術(shù)，即可實(shí)現(xiàn)的功率從0.25 W增加到近8 W。還需要考慮其他因素，例如GaN中可用工藝的柵極長度，以及它們是否可以在頻帶的高頻端實(shí)現(xiàn)所需的增益。隨著時(shí)間的推移，更多的GaN工藝變得可用。

固定的RL與級聯(lián)放大器相比，分布式放大器的 50 Ω與級聯(lián)放大器不同，在級聯(lián)放大器中，我們通過匹配網(wǎng)絡(luò)來改變呈現(xiàn)給晶體管的電阻值，以優(yōu)化放大器的功率。使用級聯(lián)放大器優(yōu)化晶體管的電阻值有一個(gè)好處，因?yàn)樗梢蕴岣逺F功率。從理論上講，我們可以繼續(xù)增加晶體管外設(shè)尺寸以繼續(xù)增加RF功率，但這存在實(shí)際限制，例如復(fù)雜性，芯片尺寸和組合損耗。匹配網(wǎng)絡(luò)也往往會(huì)限制帶寬，因?yàn)樗鼈兒茈y在寬頻率上提供最佳阻抗。在分布式功率放大器中，只有傳輸線的目的是使信號沿放大器進(jìn)行建設(shè)性干擾，而不是匹配網(wǎng)絡(luò)。還有其他技術(shù)可以進(jìn)一步提高分布式放大器的功率，例如使用級聯(lián)放大器拓?fù)鋪磉M(jìn)一步增加放大器的電壓供應(yīng)。

結(jié)果

我們已經(jīng)證明，有各種技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)可以在提供最佳功率、效率和帶寬方面進(jìn)行權(quán)衡。這些不同的拓?fù)浜图夹g(shù)中的每一種都可能在半導(dǎo)體世界中占有一席之地，因?yàn)樗鼈兏髯蕴峁┖锰帲@就是它們幸存至今的原因。在這里，我們將重點(diǎn)介紹一些結(jié)果，我們相信這些結(jié)果顯示了當(dāng)今這些技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的高功率、效率和帶寬。

今天的產(chǎn)品能力

我們將介紹一款基于GaAs的分布式功率放大器，工作頻率范圍為直流至30 GHz，這是ADI公司發(fā)布的一款產(chǎn)品HMC994A。這部分很有趣，因?yàn)樗w了幾十年的帶寬，許多不同的應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了高功率和高效率。性能如圖 5 所示。在這里，我們看到飽和輸出功率覆蓋MHz至30 GHz，功率超過1 W，標(biāo)稱功率增加效率（PAE）為25%。該特定產(chǎn)品還具有38 dBm標(biāo)稱值的強(qiáng)三階交調(diào)截點(diǎn)（TOI）性能。該結(jié)果表明，通過基于GaAs的設(shè)計(jì)，我們能夠?qū)崿F(xiàn)接近許多窄帶功率放大器設(shè)計(jì)的效率。鑒于隨頻率變化的正增益斜率、高PAE、寬帶功率性能和強(qiáng)回波損耗，HMC994A是一款有趣的產(chǎn)品。

圖5.HMC994A增益、功率和PAE與頻率的關(guān)系。

看看基于GaN的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)什么也很有趣。ADI公司提供標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品HMC8205BF10，該產(chǎn)品基于GaN，兼具高功率、高效率和帶寬。該產(chǎn)品采用 50 V 電源供電，以 35% 的標(biāo)稱效率提供 35 W 的射頻功率，功率增益為 ~20 dB，覆蓋了十多年的帶寬。在這種情況下，與GaAs中的類似方法相比，單個(gè)IC能夠提供大約10×多的功率。在過去的幾年里，這將需要一個(gè)復(fù)雜的砷化鎵芯片組合方案，而這種方案無法達(dá)到相同的效率。該產(chǎn)品展示了覆蓋寬帶寬并提供高功率和高效率的GaN技術(shù)的可能性，如圖6所示。它還顯示了高功率電子封裝技術(shù)的進(jìn)步，因?yàn)樵撈骷庋b在法蘭封裝中，能夠支持許多軍事應(yīng)用所需的連續(xù)波（CW）信號。

圖6.HMC8205BF10功率增益，P坐，以及 PAE 與頻率的關(guān)系。

總結(jié)

GaN等新型半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)為達(dá)到覆蓋寬帶寬的更高功率水平開辟了可能性。更短的柵極長度砷化鎵器件具有從 20 GHz 到 40 GHz 甚至更高的擴(kuò)展頻率范圍。文獻(xiàn)顯示，這些設(shè)備的可靠性超過100萬小時(shí)，使它們在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中無處不在。我們預(yù)計(jì)更高頻率和更寬帶寬的趨勢將持續(xù)到未來。

審核編輯：郭婷