RF功率放大器实现宽而高

电信领域对更高数据速率和工业系统更高分辨率的需求不断增长，这推动了支持它们的电子设备的运行频率更高。其中许多系统在宽频谱上运行，进一步提高带宽要求是新设计的常见要求。在许多这样的系统中，有一个推动力是对所有频段使用一个信号链。半导体技术的进步导致了高功率和宽带放大器能力的突破。由于席卷整个行业的GaN革命，曾经由行波管主导的领域已经开始让位于半导体器件，并使MMIC能够在数十年的带宽上产生>1 W的功率。随着栅极长度更短的GaAs和GaN晶体管的出现，再加上电路设计技术的改进，新的器件正在出现，这些器件可以舒适地执行毫米波频率，开辟了十年前难以想象的新应用。本文将简要介绍实现这些发展的半导体技术现状、实现最佳性能的电路设计考虑因素，以及演示当今技术的GaAs和GaN宽带功率放大器（PA）示例。

许多无线电子系统在很宽的频率范围内工作。在军事工业中，雷达频段从几百MHz到许多GHz。需要在非常宽的带宽上工作所需的电子战和电子对抗系统。威胁可能来自各种频率，例如 MHz 到 20 GHz，甚至今天的更高频率。随着更多电子设备在更高频率下可用，对更高频率电子战系统的需求将激增。在电信领域，基站的工作频率范围为450 MHz至~3.5 GHz，并且随着对更多带宽需求的持续而不断增加。卫星通信系统主要从C波段到Ka波段运行。用于测量这些不同电子设备的仪器需要在所有需要的频率下工作才能被普遍接受。因此，系统工程师在尝试设计涵盖整个频率范围的电子设备时面临着挑战。考虑到一个信号链覆盖整个频率范围的可能性，大多数系统工程师和采购人员都会非常兴奋。一个信号链覆盖整个频率范围有很多优势，包括更简单的设计、更快的上市时间、更少的元件库存管理等等。单一信号链方法的挑战始终与宽带解决方案与窄带解决方案的性能下降有关。这一挑战的核心是功率放大器，当在窄带宽上进行调谐时，功率放大器通常在功率和效率方面具有卓越的性能。

半导体技术

在过去的几年中，行波管（TWT）放大器在许多此类系统中作为输出功率放大器级主导了高功率电子设备。TWT有一些不错的属性，包括千瓦功率的能力，在倍频程甚至多个倍频程带宽上运行，在回退条件下的高效率以及良好的温度稳定性。TWT有一些缺点，包括长期可靠性差，效率较低，以及需要非常高的电压来工作（~1 kV或更高）。鉴于半导体IC的长期可靠性，从GaAs开始，多年来一直在推动这些电子产品的发展。在可能的情况下，许多系统工程师都致力于组合多个GaAs IC以产生大输出功率。整个公司的创建完全基于结合技术并有效地进行。有许多不同类型的组合技术，例如空间组合，企业组合等。这些组合技术都遭受着同样的命运——组合有损失，理想情况下，你不必使用这些组合技术。这促使我们使用高功率电子设备来开始设计。增加功率放大器RF功率的最简单方法是增加电压，这使得氮化镓晶体管技术如此具有吸引力。如果我们比较各种半导体工艺技术，我们可以看到功率通常如何随着高工作电压IC技术而增加。硅锗（SiGe）技术使用相对较低的2 V至3 V工作电压，但其集成优势非常有吸引力。多年来，GaAs一直广泛用于微波频率的功率放大器，工作电压为5 V至7 V.工作在28 V的硅LDMOS技术已在电信领域使用多年，但它主要用于4 GHz以下，因此在宽带应用中应用不那么广泛。GaN技术的出现，在碳化硅（SiC）等低损耗、高导热性衬底上工作在28 V至50 V，开辟了一系列新的可能性。如今，硅基氮化镓技术仅限于低于6 GHz的工作。与SiC相比，与硅衬底相关的RF损耗及其较低的导热性会随着频率的增加而损害增益、效率和功率。图1显示了各种半导体技术的比较以及它们之间的比较。

图1.微波频率范围电力电子的工艺技术比较。

GaN技术的出现使行业从TWT放大器转向GaN放大器作为许多此类系统的输出级。许多这些系统中的驱动放大器仍然通常是GaAs，因为其中许多技术已经存在并继续改进。接下来，我们将了解如何使用电路设计从这些宽带功率放大器中提取尽可能多的功率、带宽和效率。当然，基于GaN的设计能够比基于GaAs的设计具有更高的输出功率，并且设计考虑因素大致相同。

设计注意事项

IC设计人员在选择如何开始设计以优化功耗、效率和带宽时，可以使用不同的拓扑和设计考虑因素。最常见的单芯片放大器设计类型是基于晶体管的多级、共源、晶体管设计，也称为级联放大器设计。在这里，增益从每级成倍增加，导致高增益，并允许我们增加输出晶体管尺寸以增加RF功率。GaN在这方面提供了好处，因为我们能够大大简化输出合路器，降低损耗，从而提高效率，并缩小芯片尺寸，如图2所示。因此，我们能够实现更宽的带宽并提高性能。使用GaAs使用GaN器件的一个不太明显的好处是达到给定的RF功率电平，可能是4 W，晶体管尺寸会更小，从而获得更高的每级增益。这将导致每个设计的阶段更少，并最终提高效率。这种级联放大器技术的挑战在于，即使借助GaN技术，也很难在不显著损害功率和效率的情况下实现倍频程以上的带宽。

图2.多级砷化镓PA与等效GaN PA的比较。

朗格耦合器

实现宽带宽设计的一种方法是在RF输入和输出端采用朗格耦合器实现平衡设计，如图3所示。这里的回波损耗最终取决于耦合器设计，因为在整个频率范围内优化增益和功率响应变得更加容易，而不需要优化回波损耗。即使使用朗格耦合器，实现超过倍频程的带宽也变得更加困难，但它们确实为设计提供了非常好的回波损耗。

图3.使用朗格耦合器的平衡放大器。

分布式放大器

下一个要考虑的拓扑是图4所示的分布式功率放大器。分布式功率放大器的优势在于将晶体管的寄生效应集成到器件之间的匹配网络中。该器件的输入和输出电容可分别与栅极和漏极线路电感相结合，使传输线几乎透明，不包括传输线损耗。这样，放大器的增益应仅受器件跨导的限制，而不受器件相关容性寄生效应的限制。仅当沿栅极线传播的信号与沿漏极线传播的信号同相时，才会发生这种情况，因此每个晶体管的输出电压与前一个晶体管输出同相。传输到输出端的信号将产生建设性干扰，使信号沿漏极管线增长。任何反向波都会产生破坏性干扰，因为这些信号不会同相。包括栅极线端接以吸收未耦合到晶体管栅极的任何信号。漏极管端接用于吸收任何可能破坏性干扰输出信号的反向行波，并改善低频时的回波损耗。因此，能够实现从kHz到许多GHz的数十年带宽。当需要超过一个倍频程的带宽并且有一些不错的好处时，这种拓扑很受欢迎，例如平坦的增益、良好的回波损耗、高功率等。分布式放大器的示意图如图4所示。

图4.分布式放大器的简化框图。

分布式放大器面临的一个挑战是功率能力取决于施加到器件的电压。由于没有窄带调谐功能，因此您基本上为晶体管提供50 Ω阻抗或接近晶体管。当我们考虑功率放大器的平均功率方程时，PA的平均功率，RL或最佳负载电阻，基本上变为50 Ω。因此，可实现的输出功率由施加到放大器的电压设定，因此，如果我们想增加输出功率，我们需要增加施加到放大器的电压。

这就是GaN变得非常有用的地方，因为我们可以快速从GaAs的5 V电源电压转换为GaN中的28 V电源电压，并且只需从GaAs更改为GaN技术，即可实现的功率从0.25 W增加到近8 W。还需要考虑其他因素，例如GaN中可用工艺的栅极长度，以及它们是否可以在频带的高频端实现所需的增益。随着时间的推移，更多的GaN工艺变得可用。

固定的RL与级联放大器相比，分布式放大器的 50 Ω与级联放大器不同，在级联放大器中，我们通过匹配网络来改变呈现给晶体管的电阻值，以优化放大器的功率。使用级联放大器优化晶体管的电阻值有一个好处，因为它可以提高RF功率。从理论上讲，我们可以继续增加晶体管外设尺寸以继续增加RF功率，但这存在实际限制，例如复杂性，芯片尺寸和组合损耗。匹配网络也往往会限制带宽，因为它们很难在宽频率上提供最佳阻抗。在分布式功率放大器中，只有传输线的目的是使信号沿放大器进行建设性干扰，而不是匹配网络。还有其他技术可以进一步提高分布式放大器的功率，例如使用级联放大器拓扑来进一步增加放大器的电压供应。

结果

我们已经证明，有各种技术和半导体技术可以在提供最佳功率、效率和带宽方面进行权衡。这些不同的拓扑和技术中的每一种都可能在半导体世界中占有一席之地，因为它们各自提供好处，这就是它们幸存至今的原因。在这里，我们将重点介绍一些结果，我们相信这些结果显示了当今这些技术可以实现的高功率、效率和带宽。

今天的产品能力

我们将介绍一款基于GaAs的分布式功率放大器，工作频率范围为直流至30 GHz，这是ADI公司发布的一款产品HMC994A。这部分很有趣，因为它涵盖了几十年的带宽，许多不同的应用，并实现了高功率和高效率。性能如图 5 所示。在这里，我们看到饱和输出功率覆盖MHz至30 GHz，功率超过1 W，标称功率增加效率（PAE）为25%。该特定产品还具有38 dBm标称值的强三阶交调截点（TOI）性能。该结果表明，通过基于GaAs的设计，我们能够实现接近许多窄带功率放大器设计的效率。鉴于随频率变化的正增益斜率、高PAE、宽带功率性能和强回波损耗，HMC994A是一款有趣的产品。

图5.HMC994A增益、功率和PAE与频率的关系。

看看基于GaN的技术可以实现什么也很有趣。ADI公司提供标准产品HMC8205BF10，该产品基于GaN，兼具高功率、高效率和带宽。该产品采用 50 V 电源供电，以 35% 的标称效率提供 35 W 的射频功率，功率增益为 ~20 dB，覆盖了十多年的带宽。在这种情况下，与GaAs中的类似方法相比，单个IC能够提供大约10×多的功率。在过去的几年里，这将需要一个复杂的砷化镓芯片组合方案，而这种方案无法达到相同的效率。该产品展示了覆盖宽带宽并提供高功率和高效率的GaN技术的可能性，如图6所示。它还显示了高功率电子封装技术的进步，因为该器件封装在法兰封装中，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，P坐，以及 PAE 与频率的关系。

总结

GaN等新型半导体材料的出现为达到覆盖宽带宽的更高功率水平开辟了可能性。更短的栅极长度砷化镓器件具有从 20 GHz 到 40 GHz 甚至更高的扩展频率范围。文献显示，这些设备的可靠性超过100万小时，使它们在现代电子系统中无处不在。我们预计更高频率和更宽带宽的趋势将持续到未来。

审核编辑：郭婷