高频功率放大器的三种工作状态，高功率GaN放大器的主要特征和特性详解

很多朋友对高频功率放大器的三种工作状态，高功率GaN放大器的主要特征和特性详解不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

氮化镓(GaN)功率半导体技术为提高射频/微波功率放大的性能水平做出了巨大贡献。通过减少器件的寄生元件和采用更短的栅极长度和更高的工作电压，GaN晶体管实现了更高的输出功率密度、更宽的带宽和更好的DC到射频效率。比如2014年演示了基于GaN的X波段放大器的应用，可以提供8kW的脉冲输出功率，替代行波管(TWT)器件和行波管放大器。

这些固态GaN功率放大器的32kW版本预计将于2016年出现。在展望这些放大器的同时，我们将考察大功率GaN放大器的一些主要特性和特点。

不久前，GaN还是抗射频电子战(CREW)应用的首选，数千台放大器已经投入实际使用。现在，这项技术也被部署在机载电子战领域，正在开发的放大器可以在多个八度的射频/微波范围内提供数百瓦的输出功率。这种宽带电子战功率放大器的几个版本将在今年发布。

后续研究包括提高峰均功率比(PAPR)波形的线性度，该波形已被许多军事通信系统采用，包括通用数据链(CDL)、宽带网络波形(WNW)、士兵无线电波形(SRW)和宽带卫星通信(satcom)应用。ADI公司的“bit to RF”计划将整合公司在基带信号处理和GaN功率放大器(pa)技术方面的优势。通过使用预失真和包络调制等技术，这种集成将有利于提高PA的线性度和效率。

过去几年发布的GaN器件包括分立场效应晶体管(FET)和单片微波集成电路(MMIC)，已广泛应用于高功率微波放大器系统。这种器件很多fab和器件厂商都可以提供，通常采用100mm的碳化硅(SiC)晶圆。硅上氮化镓也在考虑中，但硅的导热性和导电性相对较差，这抵消了其在高性能和高可靠性应用中的成本优势。

这些器件的栅长小至0.2m，支持工作在毫米波段。在许多高频应用和所有低频应用(除了对成本最敏感的应用)中，GaN基器件已经在很大程度上取代了砷化镓(GaAs)和硅横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件。

RF功率放大器设计人员关注GaN器件，因为它们支持非常高的工作电压(比GaAs高三到五倍)，并且每单位FET栅极宽度允许的电流是GaAs器件的两倍。这些特性对PA设计人员至关重要，这意味着在给定的输出功率水平下，可以支持更高的负载阻抗。基于GaAs或LDMOS的先前设计的输出阻抗通常极低(相对于50或75的典型系统阻抗)。

低器件阻抗会限制可实现的带宽，即随着放大器与其负载之间阻抗转换比的增加，元件数量和插入损耗也会增加。由于这种高阻抗，这种器件的早期用户只在不匹配的测试夹具中安装一个器件，施加DC偏置，在某些情况下用RF/微波测试信号驱动器件，并取得了一些结果。

由于这些工作特性及其极高的可靠性，GaN器件也适用于高可靠性的空间应用。许多器件供应商在225C或更高的结温下进行了寿命测试，结果显示单个器件的平均无故障时间(MTTF)超过100万小时。这种高可靠性主要是由于GaN的高带隙值(GaN为3.4，GaAs为1.4)，这使得它特别适合于高可靠性应用。

扩大GaN在高功率应用中的使用的主要障碍是其相对较高的制造成本，其通常比GaAs高两到三倍，比Si LDMOS器件高五到七倍。这阻碍了其在成本敏感型应用中的使用，例如无线基础设施和消费手持设备。现在有了硅上氮化镓工艺。虽然存在上述性能问题，但这种工艺生产的器件可能最适合成本敏感型应用。

在不久的将来，随着GaN器件的制造转向更大的晶圆(直径150mm及以上，目前几家领先的GaN器件代工厂正在开发)，成本有望降低50%左右。

目前，用于天气预报和目标捕获/识别的雷达系统依赖于工作在C波段和X波段频率的行波管功率放大器。这种放大器工作在高电源电压(10千伏至100千伏)和高温下，容易因过度冲击和振动而损坏。这些行波管放大器的现场可靠性通常只有1200到1500小时，这导致了很高的维护和备件成本。

作为大功率行波管放大器的替代产品，ADI公司开发了基于GaN技术的8kW固态X波段功率放大器。在本设计中，256个MMIC的射频/微波输出功率通过一种创新的分层合并方法相加，每个MMIC产生约35 W的输出功率。当单个MMIC出现故障时，这种组合方法可以确保输出性能不会急剧下降。行波管放大器就不是这种情况，因为它的冗余度低，单个故障往往会导致器件的灾难性故障。

对于这种固态GaN功率放大器，RF/微波组合架构必须在MMIC之间的隔离和整个网络的RF/微波插入损耗之间达到合理的平衡。

8kW放大器的拓扑结构是模块化的，包括四个2kW放大器模块，它们的输出功率由波导结构组合而成(图1)。放大器可以安装在标准的19英寸机柜中。放大器的当前设计(图2)使用水冷却，使用空气冷却的其他版本正在开发中。表1总结了水冷8 kW GaN PA的性能。图一。基于GaN的固态功率放大器可以提供8 kW的输出功率，工作在X波段频率。图二。反映GaN和X波段固态功率放大器的结构和器件的框图。

8 kW SSPA支持多个模块化SSPA的组合，以产生更高的功率水平。目前，正在开发一种具有三个这种8 kW SSPA模块的放大器，它可以在相同的频率范围内实现24 kW的峰值输出功率水平。实现32 kW功率水平的其他配置也是可行的，目前正在考虑进行进一步评估。

ADI公司目前正在开发一种先进的功率模块，它也是基于g an技术，其RF/微波输出功率将是当前模块的两倍。模块采用密封设计，支持在极端环境下工作。结合下一代组合结构和更低的插入损耗(与目前的方法相比)，它将把RF/微波频率的脉冲输出功率提高到接近75千瓦到100千瓦的水平。

这些先进的高功率SSPA将包括控制和处理器功能，支持故障监测、内置测试(BIT)功能、远程诊断和测试，并控制MMIC器件的快速实时偏置控制电路(为放大器供电)。

这种GaN固态功率放大器旨在满足工业上对宽瞬时带宽和高输出功率放大器的需求。一些系统试图通过信道化或多个放大器来满足这些要求，每个放大器覆盖所需频谱的一部分，并馈入多路复用器。这将增加成本和复杂性，并导致多路复用器的频率交叉点处的间隙。

更有效的替代解决方案是以更高的功率水平连续覆盖宽频率范围，这已经通过两个不同的GaN放大器得到实现，其覆盖VHF至L波段频率以及2 GHz至18 GHz。

针对VHF到S波段频率，ADI公司开发了一款尺寸非常小、功能丰富、多倍频程的放大器，其在115 MHz到2000 MHz范围内可提供50 W输出功率。在全频率范围内，当馈入0 dBm的标称输入信号时，该放大器可实现46 dBm (典型值40 W)的输出功率水平。

该放大器采用尺寸为7.3' 3.6' 1.4'的紧凑式封装，具有BIT功能，可提供热和电流过载保护及遥测报告，并集成DC-DC转换器以实现最佳RF性能，输入电源范围是26 VDC到30 VDC。图3所示为该放大器的照片，输出功率的典型实测性能数据与频率的关系如图4所示。

图3. 连续波(CW)、50 W、固态功率放大器，工作频率范围为115 MHz至2000 MHz

图4. 50 W、115 MHz至2000 MHz功率放大器的输出功率与频率的关系

图5. 50 W、CW输出功率放大器，工作频率范围为2 GHz至18 GHz

针对2 GHz以上的宽带应用，ADI公司也开发了一款GaN放大器，其可在2 GHz到18 GHz频段产生50 W连续波(CW)输出功率。这款放大器采用商用10 W GaN MMIC，其输出功率贡献通过宽带低损耗合并电路加以合并。多个这样的放大器也可以合并，以在同样的2 GHz到18 GHz带宽产生高达200 W的输出功率。驱动放大器链也是基于GaN有源器件。

该放大器采用48 VDC供电，内置稳压器和高速开关电路，支持脉冲操作，具有良好的脉冲保真度和快速上升/下降时间。表2列出的这款放大器的规格。图5所示为该放大器的照片，图6显示了该放大器的输出功率与频率(2 GHz至18 GHz)的函数关系。

图6. 50 W、2 GHz至18 GHz功率放大器的输出功率与频率的关系

这款50 W放大器是2 GHz到18 GHz频段系列放大器中的一员。ADI公司还开发了一款12W输出功率的紧凑型台式放大器(图7)和一款100W输出功率的机架安装单元(图8)。频率范围从2GHz到6GHz 以及从6GHz到18GHz的其他放大器正在开发中。ADI公司还在努力将这些宽带放大器的输出功率从当前水平提高到200 W及更高水平。

为了实现更高的输出功率水平，ADI公司正在开发高输出功率模块和宽带RF功率合并器，其合并效率将大为改善，损耗也低于当前功率合并器。

图7. 宽带2 GHz至18 GHz功率放大器，在全频率范围产生12 W CW输出功率

图8. 2 GHz至18 GHz固态功率放大器，在全频率范围产生100 W CW输出功率

以上是利用GaN固态放大器可实现的性能水平的几个例子。随着更多GaN半导体供应商转向更大尺寸的晶圆，以及每片晶圆的良品率持续提高，将来此类放大器的单位成本有望降低。随着栅极长度的缩短，基于GaN的SSPA将能支持更高的工作频率，因此会有越来越多的GaN器件用于工作在毫米波频率的系统。显而易见，当前GaN改善性能并降低成本的趋势应当会持续一段时间。

以上知识分享希望能够帮助到大家！