電信領域對更高數據速率和工業(yè)系統(tǒng)更高分辨率的需求不斷增長，這推動了支持它們的電子設備的運行頻率更高。其中許多系統(tǒng)在寬頻譜上運行，進一步提高帶寬要求是新設計的常見要求。在許多這樣的系統(tǒng)中，有一個推動力是對所有頻段使用一個信號鏈。半導體技術的進步導致了高功率和寬帶放大器能力的突破。由于席卷整個行業(yè)的GaN革命，曾經由行波管主導的領域已經開始讓位于半導體器件，并使MMIC能夠在數十年的帶寬上產生>1 W的功率。隨著柵極長度更短的GaAs和GaN晶體管的出現，再加上電路設計技術的改進，新的器件正在出現，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用。本文將簡要介紹實現這些發(fā)展的半導體技術現狀、實現最佳性能的電路設計考慮因素，以及演示當今技術的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工作。在軍事工業(yè)中，雷達頻段從幾百MHz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波段運行。用于測量這些不同電子設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)工程師在嘗試設計涵蓋整個頻率范圍的電子設備時面臨著挑戰(zhàn)。考慮到一個信號鏈覆蓋整個頻率范圍的可能性，大多數系統(tǒng)工程師和采購人員都會非常興奮。一個信號鏈覆蓋整個頻率范圍有很多優(yōu)勢，包括更簡單的設計、更快的上市時間、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。這一挑戰(zhàn)的核心是功率放大器，當在窄帶寬上進行調諧時，功率放大器通常在功率和效率方面具有卓越的性能。

半導體技術

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了高功率電子設備。TWT有一些不錯的屬性，包括千瓦功率的能力，在倍頻程甚至多個倍頻程帶寬上運行，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，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）。鑒于半導體IC的長期可靠性，從GaAs開始，多年來一直在推動這些電子產品的發(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GaAs IC以產生大輸出功率。整個公司的創(chuàng)建完全基于結合技術并有效地進行。有許多不同類型的組合技術，例如空間組合，企業(yè)組合等。這些組合技術都遭受著同樣的命運——組合有損失，理想情況下，你不必使用這些組合技術。這促使我們使用高功率電子設備來開始設計。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如此具有吸引力。如果我們比較各種半導體工藝技術，我們可以看到功率通常如何隨著高工作電壓IC技術而增加。硅鍺（SiGe）技術使用相對較低的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技術已在電信領域使用多年，但它主要用于4 GHz以下，因此在寬帶應用中應用不那么廣泛。GaN技術的出現，在碳化硅（SiC）等低損耗、高導熱性襯底上工作在28 V至50 V，開辟了一系列新的可能性。如今，硅基氮化鎵技術僅限于低于6 GHz的工作。與SiC相比，與硅襯底相關的RF損耗及其較低的導熱性會隨著頻率的增加而損害增益、效率和功率。圖1顯示了各種半導體技術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比較。

GaN技術的出現使行業(yè)從TWT放大器轉向GaN放大器作為許多此類系統(tǒng)的輸出級。許多這些系統(tǒng)中的驅動放大器仍然通常是GaAs，因為其中許多技術已經存在并繼續(xù)改進。接下來，我們將了解如何使用電路設計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。當然，基于GaN的設計能夠比基于GaAs的設計具有更高的輸出功率，并且設計考慮因素大致相同。

設計注意事項

IC設計人員在選擇如何開始設計以優(yōu)化功耗、效率和帶寬時，可以使用不同的拓撲和設計考慮因素。最常見的單芯片放大器設計類型是基于晶體管的多級、共源、晶體管設計，也稱為級聯放大器設計。在這里，增益從每級成倍增加，導致高增益，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，因為我們能夠大大簡化輸出合路器，降低損耗，從而提高效率，并縮小芯片尺寸，如圖2所示。因此，我們能夠實現更寬的帶寬并提高性能。使用GaAs使用GaN器件的一個不太明顯的好處是達到給定的RF功率電平，可能是4 W，晶體管尺寸會更小，從而獲得更高的每級增益。這將導致每個設計的階段更少，并最終提高效率。這種級聯放大器技術的挑戰(zhàn)在于，即使借助GaN技術，也很難在不顯著損害功率和效率的情況下實現倍頻程以上的帶寬。

圖2.多級砷化鎵PA與等效GaN PA的比較。

朗格耦合器

實現寬帶寬設計的一種方法是在RF輸入和輸出端采用朗格耦合器實現平衡設計，如圖3所示。這里的回波損耗最終取決于耦合器設計，因為在整個頻率范圍內優(yōu)化增益和功率響應變得更加容易，而不需要優(yōu)化回波損耗。即使使用朗格耦合器，實現超過倍頻程的帶寬也變得更加困難，但它們確實為設計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

下一個要考慮的拓撲是圖4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集成到器件之間的匹配網絡中。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，放大器的增益應僅受器件跨導的限制，而不受器件相關容性寄生效應的限制。僅當沿柵極線傳播的信號與沿漏極線傳播的信號同相時，才會發(fā)生這種情況，因此每個晶體管的輸出電壓與前一個晶體管輸出同相。傳輸到輸出端的信號將產生建設性干擾，使信號沿漏極管線增長。任何反向波都會產生破壞性干擾，因為這些信號不會同相。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，并改善低頻時的回波損耗。因此，能夠實現從kHz到許多GHz的數十年帶寬。當需要超過一個倍頻程的帶寬并且有一些不錯的好處時，這種拓撲很受歡迎，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。當我們考慮功率放大器的平均功率方程時，PA的平均功率，RL或最佳負載電阻，基本上變?yōu)?0 Ω。因此，可實現的輸出功率由施加到放大器的電壓設定，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，因為我們可以快速從GaAs的5 V電源電壓轉換為GaN中的28 V電源電壓，并且只需從GaAs更改為GaN技術，即可實現的功率從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現所需的增益。隨著時間的推移，更多的GaN工藝變得可用。

固定的RL與級聯放大器相比，分布式放大器的 50 Ω與級聯放大器不同，在級聯放大器中，我們通過匹配網絡來改變呈現給晶體管的電阻值，以優(yōu)化放大器的功率。使用級聯放大器優(yōu)化晶體管的電阻值有一個好處，因為它可以提高RF功率。從理論上講，我們可以繼續(xù)增加晶體管外設尺寸以繼續(xù)增加RF功率，但這存在實際限制，例如復雜性，芯片尺寸和組合損耗。匹配網絡也往往會限制帶寬，因為它們很難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行建設性干擾，而不是匹配網絡。還有其他技術可以進一步提高分布式放大器的功率，例如使用級聯放大器拓撲來進一步增加放大器的電壓供應。

結果

我們已經證明，有各種技術和半導體技術可以在提供最佳功率、效率和帶寬方面進行權衡。這些不同的拓撲和技術中的每一種都可能在半導體世界中占有一席之地，因為它們各自提供好處，這就是它們幸存至今的原因。在這里，我們將重點介紹一些結果，我們相信這些結果顯示了當今這些技術可以實現的高功率、效率和帶寬。

今天的產品能力

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)布的一款產品HMC994A。這部分很有趣，因為它涵蓋了幾十年的帶寬，許多不同的應用，并實現了高功率和高效率。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，標稱功率增加效率（PAE）為25%。該特定產品還具有38 dBm標稱值的強三階交調截點（TOI）性能。該結果表明，通過基于GaAs的設計，我們能夠實現接近許多窄帶功率放大器設計的效率。鑒于隨頻率變化的正增益斜率、高PAE、寬帶功率性能和強回波損耗，HMC994A是一款有趣的產品。

圖5.HMC994A增益、功率和PAE與頻率的關系。

看看基于GaN的技術可以實現什么也很有趣。ADI公司提供標準產品HMC8205BF10，該產品基于GaN，兼具高功率、高效率和帶寬。該產品采用 50 V 電源供電，以 35% 的標稱效率提供 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，這將需要一個復雜的砷化鎵芯片組合方案，而這種方案無法達到相同的效率。該產品展示了覆蓋寬帶寬并提供高功率和高效率的GaN技術的可能性，如圖6所示。它還顯示了高功率電子封裝技術的進步，因為該器件封裝在法蘭封裝中，能夠支持許多軍事應用所需的連續(xù)波（CW）信號。

圖6.HMC8205BF10功率增益，P坐，以及 PAE 與頻率的關系。

總結

GaN等新型半導體材料的出現為達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 甚至更高的擴展頻率范圍。文獻顯示，這些設備的可靠性超過100萬小時，使它們在現代電子系統(tǒng)中無處不在。我們預計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