GaN功率半導(dǎo)體技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)的改進(jìn)使微波頻率的高功率連續(xù)波（CW）和脈沖放大器成為可能。

氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體技術(shù)為提高射頻/微波功率放大的性能水平做出了巨大貢獻(xiàn)。通過減少器件的寄生元件、使用更短的柵極長度和使用更高的工作電壓，GaN晶體管達(dá)到了更高的輸出功率密度、更寬的帶寬和更高的DC-RF效率。例如，到2014年，基于GaN的X波段放大器能夠產(chǎn)生8 kW脈沖輸出功率，被證明可用于雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用，作為行波管（TWT）器件和TWT放大器的替代品。到2016年，這些固態(tài)GaN功率放大器預(yù)計(jì)將有32 kW的變體。鑒于這些放大器的可用性，將回顧這些高功率GaN放大器的一些關(guān)鍵特性和特性。

最近，GaN一直是反射頻電子戰(zhàn)（CREW）應(yīng)用的首選技術(shù)，提供了數(shù)以萬計(jì)的放大器供現(xiàn)場使用。該技術(shù)現(xiàn)在也部署在機(jī)載電子戰(zhàn)領(lǐng)域，正在開發(fā)的放大器能夠在射頻/微波范圍內(nèi)的多個(gè)倍頻程上提供數(shù)百瓦的輸出功率。這些寬帶電子戰(zhàn)功率放大器的幾種變體將于本日歷年發(fā)布。

需要進(jìn)一步研究的領(lǐng)域包括改進(jìn)許多軍事通信系統(tǒng)中使用的高峰平均功率比（PAPR）波形的線性度，包括通用數(shù)據(jù)鏈路（CDL），寬帶網(wǎng)絡(luò)波形（WNW），士兵無線電波形（SRW）和寬帶衛(wèi)星通信（SATCOM）應(yīng)用。ADI公司的“比特到RF”計(jì)劃將整合公司在基帶信號(hào)處理和GaN功率放大器（PA）技術(shù)方面的優(yōu)勢。這種集成將通過使用預(yù)失真和包絡(luò)調(diào)制等技術(shù)來提高PA線性度和效率。

在過去幾年中，基于GaN的器件，包括分立場效應(yīng)晶體管（FET）和單片微波集成電路（MMIC），已經(jīng)發(fā)布并廣泛用于高功率微波放大器系統(tǒng)。這些器件可從多個(gè)代工廠來源和設(shè)備制造商處獲得，通常在 100 mm 碳化硅 （SiC） 晶圓上制造。硅上的氮化鎵工藝也在考慮之中;然而，硅相對較差的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性抵消了高性能、高可靠性應(yīng)用中的成本優(yōu)勢。這些器件的柵極長度小至 0.2 μm，支持在毫米波頻段內(nèi)工作。在許多高頻應(yīng)用中，基于GaN的器件已在很大程度上取代了砷化鎵（GaAs）和硅橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（LDMOS）器件，除了成本最敏感的低頻應(yīng)用。

GaN 器件是射頻功率放大器設(shè)計(jì)人員感興趣的，因?yàn)樗鼈冎С址浅８叩墓ぷ麟妷海ū?GaAs 器件高 3 到 5 倍），并且每單位 FET 柵極寬度的允許電流大約是砷化鎵器件的兩倍。這些特性對PA設(shè)計(jì)人員具有重要影響，特別是在給定輸出功率水平下具有更高的負(fù)載阻抗。以前基于GaAs或LDMOS的設(shè)計(jì)通常具有相對于50 Ω或75 Ω的典型系統(tǒng)阻抗的極低輸出阻抗。低器件阻抗限制了可實(shí)現(xiàn)的帶寬，也就是說，隨著放大器件與其負(fù)載之間所需的阻抗變換比增加，元件數(shù)量和插入損耗也會(huì)增加。由于這些高阻抗，這些器件的早期用戶在某些情況下只需在不匹配的測試夾具中安裝一個(gè)，施加直流偏置，并使用RF/微波測試信號(hào)驅(qū)動(dòng)器件，就可以獲得部分結(jié)果。

由于這些工作特性和出色的可靠性，GaN器件也正在進(jìn)入高可靠性空間應(yīng)用。來自這些器件多個(gè)來源的壽命測試數(shù)據(jù)預(yù)測，在結(jié)溫為 225°C 或更高的情況下，平均失效時(shí)間 （MTTF） 持續(xù)時(shí)間（單個(gè)器件）超過 100 萬小時(shí)。這種出色的可靠性主要是由于GaN的高帶隙值（GaN為3.4，GaAs為1.4）。這使得它們非常適合高可靠性應(yīng)用。

GaN在高功率應(yīng)用中廣泛使用的主要障礙是其相對較高的制造成本 - 通常是GaAs的兩到三倍，是基于Si LDMOS的器件的五到七倍。這通常是在無線基礎(chǔ)設(shè)施和消費(fèi)類手機(jī)等成本敏感型應(yīng)用中使用的障礙。硅基底上的氮化鎵工藝是可用的，盡管存在前面提到的性能問題，并且這些工藝的器件可能最適合這些成本敏感的應(yīng)用。在不久的將來，隨著氮化鎵器件制造轉(zhuǎn)向直徑為150毫米或更大的更大晶圓，預(yù)計(jì)成本將降低50%左右，目前在幾家領(lǐng)先的GaN器件代工廠進(jìn)行。

目前部署的用于天氣預(yù)報(bào)和目標(biāo)獲取/識(shí)別的雷達(dá)系統(tǒng)依賴于在C波段和X波段頻率下工作的基于TWT的功率放大器。放大器在高電源電壓（10 kV至100 kV）和溫度下運(yùn)行，容易受到過度沖擊和振動(dòng)的損壞。這些電子管放大器的現(xiàn)場可靠性通常為1200小時(shí)至1500小時(shí)，這導(dǎo)致維護(hù)和備件成本高昂。

作為這些基于TWT的高功率放大器的替代方案，ADI公司開發(fā)了基于GaN技術(shù)的8 kW固態(tài)X波段功率放大器。該設(shè)計(jì)采用創(chuàng)新的分層合路器方法，將 256 個(gè) MMIC 的貢獻(xiàn)射頻/微波輸出功率相加，每個(gè) MMIC 產(chǎn)生約 35 W 的輸出功率。組合方法會(huì)導(dǎo)致在發(fā)生單個(gè) MMIC 故障時(shí)性能正常下降。這與TWT放大器形成鮮明對比，TWT放大器由于冗余水平低，往往會(huì)遭受災(zāi)難性的故障。對于這些固態(tài)GaN功率放大器，RF/微波組合架構(gòu)必須在MMIC之間所需的隔離與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的RF/微波插入損耗之間取得合理的平衡。

8 kW 放大器拓?fù)涫悄K化的，由四個(gè) 2 kW 放大器組件組成，其輸出功率采用波形導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)組合（圖 1）。放大器可以安裝在標(biāo)準(zhǔn)的 19“ 機(jī)架外殼中。放大器的當(dāng)前設(shè)計(jì)（圖2）配置為水冷，但使用風(fēng)冷的放大器變體正在開發(fā)中。表 1 匯總了水冷 8 kW GaN PA 的性能水平。

圖1.基于 GaN 的固態(tài)功率放大器，能夠在 X 波段頻率下提供 8 kW 的輸出功率。

圖2.表示GaN、X波段固態(tài)功率放大器的結(jié)構(gòu)和組件的框圖。

表 1.典型的 8 kW PA 性能

8 kW SSPA的設(shè)計(jì)方式使這些模塊化SSPA可以組合在一起以產(chǎn)生更高的功率水平。目前正在開發(fā)一種放大器，該放大器將結(jié)合其中三個(gè)8 kW SSPA模塊，以在相同頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)24 kW峰值輸出功率水平的單位。其他實(shí)現(xiàn)功率水平達(dá)到 32 kW 的配置是可行的，并且正在考慮進(jìn)一步評(píng)估。

ADI公司目前正在開發(fā)一種基于GaN技術(shù)的先進(jìn)功率模塊，該模塊將使當(dāng)前模塊的RF/微波輸出功率翻倍。該模塊設(shè)計(jì)為密封，以支持在極端環(huán)境中的操作。這與插入損耗降低的下一代組合結(jié)構(gòu)（與當(dāng)前方法相比）一起，將在射頻/微波頻率下將脈沖輸出功率擴(kuò)展到接近75 kW至100 kW的水平。這些先進(jìn)的高功率SSPA將包括控制和處理器功能，以實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)控、內(nèi)置測試（BIT）功能、遠(yuǎn)程診斷測試以及為放大器供電的MMIC器件的快速、實(shí)時(shí)偏置控制電路控制。

這些基于GaN的固態(tài)功率放大器滿足了業(yè)界對具有寬瞬時(shí)帶寬和高輸出功率水平的放大器的需求。一些系統(tǒng)試圖使用通道化或多個(gè)放大器來滿足這些要求，每個(gè)放大器覆蓋所需頻譜的一部分并為多路復(fù)用器供電。這導(dǎo)致成本和復(fù)雜性增加，并導(dǎo)致多路復(fù)用器頻率交越點(diǎn)的覆蓋差距。更有效的替代解決方案是在高功率水平下連續(xù)覆蓋寬頻率范圍，就像兩個(gè)不同的基于GaN的放大器一樣，覆蓋VHF到L波段頻率，以及2 GHz至18 GHz。

針對VHF至S波段頻率的應(yīng)用，ADI公司開發(fā)了一種非常小、功能豐富的多倍頻程放大器，能夠在115 MHz至2000 MHz范圍內(nèi)提供50 W輸出功率。當(dāng)輸入標(biāo)稱輸入信號(hào)為0 dBm時(shí)，該放大器在整個(gè)頻率范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)46 dBm（典型值為40 W）的輸出功率電平。

該放大器采用尺寸為 7.3“ × 3.6” × 1.4“ 的緊湊型外殼，包括用于熱和電流過載保護(hù)、遙測報(bào)告和集成 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的 BIT 功能，可在 26 V 輸入電源范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不折不扣的 RF 性能直流至 30 V直流.圖3提供了放大器的照片，以及圖4所示輸出功率與頻率的典型測量性能數(shù)據(jù)。

圖3.連續(xù)波 （CW）、50 W、固態(tài)功率放大器，工作頻率范圍為 115 MHz 至 2000 MHz。

圖4.顯示 50 W、115 MHz 至 2000 MHz 功率放大器的輸出功率與頻率的關(guān)系圖。

為了滿足2 GHz以上的寬帶應(yīng)用需求，ADI公司還開發(fā)了一款GaN放大器，可在整個(gè)2 GHz至18 GHz頻段內(nèi)產(chǎn)生50 W連續(xù)波（CW）輸出功率。該放大器使用市售的10 W GaN MMIC，輸出功率貢獻(xiàn)通過寬帶、低損耗組合器電路求和。多個(gè)放大器可以依次組合，以在相同的2 GHz至18 GHz帶寬上產(chǎn)生高達(dá)200 W的輸出功率。驅(qū)動(dòng)放大器鏈也基于GaN有源器件。該放大器工作在 48 VDC 電壓下，具有內(nèi)部穩(wěn)壓器和高速開關(guān)電路，可實(shí)現(xiàn)脈沖操作，具有良好的脈沖保真度和快速上升和下降時(shí)間。表2列出了該放大器的規(guī)格。圖5提供了放大器的照片，圖6顯示了放大器的輸出功率與2 GHz至18 GHz頻率的函數(shù)關(guān)系。

表 2.典型寬帶 SSPA 性能

圖5.放大器能夠承受 50 W 的 2 GHz 至 18 GHz 的 CW 輸出功率。

圖6.顯示 50 W、2 GHz 至 18 GHz 功率放大器的輸出功率與頻率的關(guān)系圖。

這款 50 W 放大器是覆蓋 2 GHz 至 18 GHz 頻段的放大器系列之一。ADI還開發(fā)了一款輸出功率為12 W的緊湊型臺(tái)式放大器（圖7）和輸出功率為100 W的機(jī)架安裝單元（圖8）。其他頻率覆蓋范圍為2 GHz至6 GHz和6 GHz至18 GHz的放大器正在開發(fā)中。ADI還致力于將這些寬帶放大器的輸出功率從目前的水平提高到200 W或更高的功率水平。為了實(shí)現(xiàn)這些更高的輸出功率水平，該公司正在開發(fā)具有更高輸出功率的模塊，以及寬帶RF功率組合器，其組合效率大大提高，損耗比當(dāng)前的功率組合器更低。

圖7.寬帶 2 GHz 至 18 GHz 功率放大器，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生 12 W CW 輸出功率。

圖8.2 GHz 至 18 GHz 固態(tài)功率放大器，可在整個(gè)頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生 100 W CW 輸出功率。

這些是基于GaN的固態(tài)放大器可能達(dá)到的性能水平的幾個(gè)示例。隨著越來越多的GaN半導(dǎo)體供應(yīng)商轉(zhuǎn)向更大的晶圓尺寸，并繼續(xù)提高每個(gè)晶圓的器件產(chǎn)量，這些放大器的單位成本預(yù)計(jì)將在未來下降。隨著柵極長度的減小，在毫米波頻率下運(yùn)行的系統(tǒng)將更多地使用GaN器件，從而使基于GaN的SSPA能夠?qū)崿F(xiàn)更高頻率的操作。很明顯，目前提高性能和降低成本的GaN趨勢應(yīng)該會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。

審核編輯：郭婷