GaN，让RF功率放大器带宽和功率突飞猛进

电信行业不断需要更高的数据速率，工业系统不断需要更高的分辨率，这助推了满足这些需求的电子设备工作频率的不断上升。许多系统可以在较宽的频谱中工作，新设计通常也会有进一步增加带宽的要求。在许多这样的系统中，人们倾向于使用一个涵盖所有频带的信号链。半导体技术的进步使高功率宽带放大器功能突飞猛进。GaN 革命席卷了整个行业，并且可以让 MMIC 在几十种带宽下生成 1 W 以上的功率，因此，这个过去由行波管主导的领域已经开始让步于半导体设备。更短栅极长度的 GaAs 和 GaN 晶体管的出现以及电路设计技术的升级，衍生了一些可以轻松操作毫米波频率的新设备，开启了几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，还列举了展现当今技术的 GaAs 和 GaN 宽带功率放大器(PA)。

过去几年，行波管(TWT)放大器一直将更高功率电子设备作为许多这类系统中的输出功率放大器级。TWT 拥有一些不错的特性，包括千瓦级功率、倍频程带宽或者甚至多倍频程带宽操作、高效回退操作以及良好的温度稳定性。TWT 也有一些缺陷，其中包括较差的长期可靠性、较低效率，并且需要非常高的电压（大约 1 kV 或以上）才能工作。关于半导体 IC 的长期稳定性，这些年电子设备一直向前发展，首当其冲的就是 GaAs。在可能的情况下，许多系统工程师一直努力组合多个 GaAs IC，生成大输出功率。整个公司都完全建立在技术组合和有效实施的基础之上。进而孕育了许多不同类型的组合技术，如空间组合、企业组合等。这些组合技术全都面临着相同的命运——组合造成了损耗，幸运的是，并不一定要使用这些组合技术。这激励我们使用高功率电子设备开始设计。提高功率放大器 RF 功率的最简单的方式就是增加电压，这让氮化镓晶体管技术极具吸引力。如果我们对比不同半导体工艺技术，就会发现功率通常会如何随着高工作电压 IC 技术而提高。硅锗(SiGe)技术采用相对较低的工作电压（2V 至 3V），但其集成优势非常有吸引力。GaAs 拥有微波频率和 5 V 至 7 V 的工作电压，多年来一直广泛应用于功率放大器。硅基 LDMOS 技术的工作电压为 28 V，已经在电信领域使用了许多年，但其主要在 4GHz 以下频率发挥作用，因此在宽带应用中的使用并不广泛。新兴 GaN 技术的工作电压为 28V 至 50V，拥有低损耗、高热传导基板（如碳化硅，SiC），开启了一系列全新的可能应用。如今，硅基 GaN 技术局限于 6 GHz 以下工作频率。硅基板相关的 RF 损耗及其相对 SiC 的较低热传导性能则抵消了增益、效率和随频率增加的功率优势。图 1 对比了不同半导体技术并显示了其相互比较情况。

图 1. 微波频率范围功率电子设备的工艺技术对比。

图 2. 多级 GaAs 功率放大器和等效 GaN 功率放大器的比较。

兰格耦合器

实现宽带宽设计的一种方法就是在 RF 输入和输出端使用兰格耦合器实现均衡设计，如图 3 所示。这里的回波损耗最终取决于耦合器设计，因为这将更容易优化增益和频率功率响应，并且无需优化回波损耗。即便是在使用兰格耦合器的情况下，也更难实现倍频程带宽，但却可以让设计实现不错的回波损耗。

图 3. 采用兰格耦合器的均衡放大器。

分布式放大器

另一个要考虑的拓扑就是分布式功率放大器，如图 4 所示。分布式功率放大器的优势可通过在设备间的匹配网络中应用晶体管的寄生效应来实现。设备的输入和输出电容可以分别与栅极和漏极线路电感合并，让传输线路变得几乎透明，传输线路损耗除外。这样，放大器的增益应该仅受限于设备的跨导性，而非设备相关的电容寄生性能。仅当沿栅极线路向下传输的信号与沿漏极线路向下传输的信号同相时，才会发生这种情况。因此，每个晶体管的输出电压将与之前的晶体管输出同相。向输出端传输的信号将会积极干扰，因此，信号会随着漏极线路而增强。任何反向波都会肆意干扰信号，因为这些信号不会同相。其中包含栅极线路端电极，可吸收任何未耦合至晶体管栅极的信号。还包含漏极线路端电极，可吸收任何可能肆意干扰输出信号并改善低频率下回波损耗的反向行波。因此，在几十种带宽下都可实现从 kHz 到 GHz 级的频率。当需要多个倍频程带宽时，这种拓扑就会变得非常受欢迎，并且还带来了几个不错的优势，如平稳增益、良好的回波损耗、高功率等。图 4 显示了分布式放大器的一个例证。

图 4. 分布式放大器的简化框图。

在这里，分布式放大器面临的一个挑战就是，功率功能由设备所使用的电压决定。由于不存在窄带调节功能，所以您可以实质上向晶体管提供 50 Ω或接近于 50 Ω的电阻。在等式 1 中，PA 的平均功率、RL 或最佳负载电阻实质上将变成 50 Ω。因此，可实现的输出功率由施加到放大器的电压设定，所以，如果我们想要增加输出功率，就需要增加施加到放大器的电压。

关于提供最佳功率、效率和带宽的权衡，我们已经说明了各种不同的技巧和半导体技术。每一种不同拓扑和技术都有可能在半导体市场占据一席之地，这是因为它们每一个都有优势，这也是它们能够在当前生存的原因所在。这里，我们将关注几个值得信赖的结果，展现这些当前技术在实现高功率、效率和带宽时的可能性。

当前的产品功能

我们将了解 ADI 公司基于 GaAs 的分布式功率放大器产品 HMC994A，工作频率范围为直流至 30 GHz。该器件非常有意思，因为它覆盖了几十种带宽、许多不同应用，并且可实现高功率和效率。其性能如图 5 所示。在这里，我们看到它是覆盖 MHz 至 30 GHz、功率附加效率(PAE)典型值为 25%的饱和输出功率大于 1 瓦的器件。这款产品还拥有标准值为 38 dBm 的强大的三阶交调截点(TOI)性能。结果显示，利用基于 GaAs 的设计，我们能够实现接近于许多窄带功率放大器设计的效率。HMC994A 拥有正向频率增益斜率、高 PAE 宽带功率性能和强大的回波损耗，是一款非常有趣的产品。

图 5. HMC994A 增益、功率以及 PAE 和频率的关系。

我们再来了解一下基于 GaN 技术可以做些什么。ADI 公司推出了一款标准产品 HMC8205BF10，它基于 GaN 技术，具有高功率、高效率 和宽带宽。该产品的工作电源电压为 50 V，在 35%的典型频率下可提供 35 W RF 功率，带 20 dB 左右的功率增益，覆盖几十种带宽。这种情况下，相比类似的 GaAs 方案，我们只需要一个 IC 就能提供高出约 10 倍的功率。在过去数年，这可能需要复杂的 GaAs 芯片组合方案，并且无法实现相同的效率。该产品展示了使用 GaN 技术的各种可能性，包括覆盖宽带宽，提供高功率和高效率，如图 6 所示。这还展现了高功率电子设备封装技术的发展历程，因为这个采用法兰封装的器件能够支持许多军事应用所需的连续波(CW)信号。

图 6. HMC8205BF10 功率增益、PSAT 以及 PAE 和频率的关系。

总结

GaN 等全新半导体材料的出现开启了实现覆盖宽带宽的更高功率水平的可能性。较短的栅极长度 GaAs 设备的频率范围已经从 20 GHz 扩展到了 40 GHz 及以上。这些器件的可靠性几乎已经超过了 100 万小时，普遍应用于当今的电子设备系统中。未来，我们预计会持续向更高频率和更宽带宽发展。

关于作者

Keith Benson 于 2002 年毕业于马萨诸塞大学安姆斯特分校，获电气工程学士学位，2004 年毕业于加州大学圣塔芭芭拉分校，获电气工程硕士学位。他之前就职于 Hittite Microwave，主攻 RF 无线电子的 IC 设计。然后转向 IC 设计工程师团队管理，主要负责无线通信链路。2014 年，ADI 公司收购了 Hittite Microwave，Keith 成为 ADI 公司 RF/MW 放大器和相控阵 IC 的产品线总监。Keith 目前拥有 3 项新颖放大器技术方面的美国专利。