GaN——如何讓RF功率放大器帶寬和功率突飛猛進(jìn)

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(jì)通常也會有進(jìn)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(gè)涵蓋所有頻帶的信號鏈。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步使高功率寬帶放大器功能突飛猛進(jìn)。GaN革命席卷了整個(gè)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(gè)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(jì)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(shí)現(xiàn)最佳性能的電路設(shè)計(jì)考慮因素，還列舉了展現(xiàn)當(dāng)今技術(shù)的GaAs和GaN寬帶功率放大器(PA)

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(cuò)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(dāng)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(gè)GaAs IC，生成大輸出功率。整個(gè)公司都完全建立在技術(shù)組合和有效實(shí)施的基礎(chǔ)之上。進(jìn)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(yùn)——組合造成了損耗，幸運(yùn)的是，并不一定要使用這些組合技術(shù)。這激勵(lì)我們使用高功率電子設(shè)備開始設(shè)計(jì)。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（2V至3V），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4GHz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28V至50V，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。

圖1. 微波頻率范圍功率電子設(shè)備的工藝技術(shù)對比。

圖2. 多級GaAs功率放大器和等效GaN功率放大器的比較。

蘭格耦合器

實(shí)現(xiàn)寬帶寬設(shè)計(jì)的一種方法就是在RF輸入和輸出端使用蘭格耦合器實(shí)現(xiàn)均衡設(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)檫@將更容易優(yōu)化增益和頻率功率響應(yīng)，并且無需優(yōu)化回波損耗。即便是在使用蘭格耦合器的情況下，也更難實(shí)現(xiàn)倍頻程帶寬，但卻可以讓設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不錯(cuò)的回波損耗。

圖3. 采用蘭格耦合器的均衡放大器。