電信行業(yè)不斷需要更高的數(shù)據(jù)速率，工業(yè)系統(tǒng)不斷需要更高的分辨率，這助推了滿足這些需求的電子設(shè)備工作頻率的不斷上升。許多系統(tǒng)可以在較寬的頻譜中工作，新設(shè)計通常也會有進一步增加帶寬的要求。在許多這樣的系統(tǒng)中，人們傾向于使用一個涵蓋所有頻帶的信號鏈。半導(dǎo)體技術(shù)的進步使高功率寬帶放大器功能突飛猛進。GaN革命席卷了整個行業(yè)，并且可以讓 MMIC在幾十種帶寬下生成1 W以上的功率，因此，這個過去由行波管主導(dǎo)的領(lǐng)域已經(jīng)開始讓步于半導(dǎo)體設(shè)備。更短柵極長度的GaAs和GaN晶體管的出現(xiàn)以及電路設(shè)計技術(shù)的升級，衍生了一些可以輕松操作毫米波頻率的新設(shè)備，開啟了幾十年前難以想象的新應(yīng)用。本文將簡要描述支持這些發(fā)展的半導(dǎo)體技術(shù)的狀態(tài)、實現(xiàn)最佳性能的電路設(shè)計考慮因素，還列舉了展現(xiàn)當今技術(shù)的GaAs和GaN寬帶功率放大器（PA）。許多無線電子系統(tǒng)都可覆蓋很寬的頻率范圍。在軍事工業(yè)中，雷達頻段可覆蓋從幾百MHz到GHz級頻率。一些電子戰(zhàn)和電子對抗系統(tǒng)需要在極寬的帶寬下工作。各種不同頻率，如MHz至20 GHz，甚至包括更高的頻率，現(xiàn)在都面臨著挑戰(zhàn)。隨著越來越多電子設(shè)備支持更高頻率，對更高頻率電子戰(zhàn)系統(tǒng)的需求將會出現(xiàn)井噴。在電信行業(yè)，基站的工作頻率為450 MHz至3.5 GHz左右，并且隨著更高帶寬的需求增長而持續(xù)增加。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作頻率主要為C-波段至Ka-波段。用于測量這些不同電子設(shè)備的儀器儀表需要能在所有這些必要的頻率下工作，才能得到國際認可。因此，系統(tǒng)工程師需要努力嘗試設(shè)計一些能夠覆蓋整個頻率范圍的電子設(shè)備。想到可以使用單個信號鏈覆蓋整個頻率范圍，大多數(shù)系統(tǒng)工程師和采購人員都會非常興奮。用單個信號鏈覆蓋整個頻率范圍將會帶來許多優(yōu)勢，其中包括簡化設(shè)計、加速上市時間、減少要管理的器件庫存等。單信號鏈方案的挑戰(zhàn)始終繞不開寬帶解決方案相對窄帶解決方案的性能衰減。挑戰(zhàn)的核心在于功率放大器，對于窄帶寬其具有一流的功率和效率性能。

　　半導(dǎo)體技術(shù)

　　過去幾年，行波管（TWT）放大器一直將更高功率電子設(shè)備作為許多這類系統(tǒng)中的輸出功率放大器級。TWT擁有一些不錯的特性，包括千瓦級功率、倍頻程帶寬或者甚至多倍頻程帶寬操作、高效回退操作以及良好的溫度穩(wěn)定性。TWT也有一些缺陷，其中包括較差的長期可靠性、較低效率，并且需要非常高的電壓（大約1 kV或以上）才能工作。關(guān)于半導(dǎo)體IC的長期穩(wěn)定性，這些年電子設(shè)備一直向前發(fā)展，首當其沖的就是GaAs。在可能的情況下，許多系統(tǒng)工程師一直努力組合多個GaAs IC，生成大輸出功率。整個公司都完全建立在技術(shù)組合和有效實施的基礎(chǔ)之上。進而孕育了許多不同類型的組合技術(shù)，如空間組合、企業(yè)組合等。這些組合技術(shù)全都面臨著相同的命運——組合造成了損耗，幸運的是，并不一定要使用這些組合技術(shù)。這激勵我們使用高功率電子設(shè)備開始設(shè)計。提高功率放大器RF功率的最簡單的方式就是增加電壓，這讓氮化鎵晶體管技術(shù)極具吸引力。如果我們對比不同半導(dǎo)體工藝技術(shù)，就會發(fā)現(xiàn)功率通常會如何隨著高工作電壓IC技術(shù)而提高。硅鍺（SiGe）技術(shù)采用相對較低的工作電壓（2 V至3 V），但其集成優(yōu)勢非常有吸引力。GaAs擁有微波頻率和5 V至7 V的工作電壓，多年來一直廣泛應(yīng)用于功率放大器。硅基LDMOS技術(shù)的工作電壓為28 V，已經(jīng)在電信領(lǐng)域使用了許多年，但其主要在4 GHz以下頻率發(fā)揮作用，因此在寬帶應(yīng)用中的使用并不廣泛。新興GaN技術(shù)的工作電壓為28 V至50 V，擁有低損耗、高熱傳導(dǎo)基板（如碳化硅，SiC），開啟了一系列全新的可能應(yīng)用。如今，硅基GaN技術(shù)局限于6 GHz以下工作頻率。硅基板相關(guān)的RF損耗及其相對SiC的較低熱傳導(dǎo)性能則抵消了增益、效率和隨頻率增加的功率優(yōu)勢。圖1對比了不同半導(dǎo)體技術(shù)并顯示了其相互比較情況。

　　GaN技術(shù)的出現(xiàn)讓業(yè)界放棄TWT放大器，轉(zhuǎn)而使用GaN放大器作為許多系統(tǒng)的輸出級。這些系統(tǒng)中的驅(qū)動放大器仍然主要使用GaAs，這是因為這種技術(shù)已經(jīng)大量部署并且始終在改進。下一步，我們將尋求如何使用電路設(shè)計，從這些寬帶功率放大器中提取較大功率、帶寬和效率。當然，相比基于GaAs的設(shè)計，基于GaN的設(shè)計能夠提供更高的輸出功率，并且其設(shè)計考慮因素在很大程度上是相同的。

　　設(shè)計考慮因素

　　選擇如何開始設(shè)計以優(yōu)化功率、效率及帶寬時，IC設(shè)計師可以使用不同拓撲及設(shè)計考慮因素。最常見的單塊放大器設(shè)計類型就是一種多級、共源、基于晶體管的設(shè)計，也稱作級聯(lián)放大器設(shè)計。這里，增益放大器會從每一級增加，從而實現(xiàn)高增益，并允許我們增加輸出晶體管大小，以增加RF功率。GaN在這里提供了一些優(yōu)勢，因為我們能夠大幅簡化輸出合成器、減少損耗，因而可以提高效率，減小芯片尺寸，如圖2所示。因此，我們能夠?qū)崿F(xiàn)更寬帶寬并提高性能。從GaAs轉(zhuǎn)向GaN設(shè)備的一個不太明顯的優(yōu)勢就是，能夠?qū)崿F(xiàn)給定RF功率水平，可能是4 W。晶體管尺寸將會更小，從而實現(xiàn)更高的每級增益。這將帶來更少的設(shè)計級，最終實現(xiàn)更高效率。這些級聯(lián)放大器技術(shù)的挑戰(zhàn)在于，在不顯著降低功率和效率，甚至在不借助GaN技術(shù)的情況下，很難實現(xiàn)倍頻程帶寬。