GaN功率放大器发展状态评测

氮化镓(GaN)功率半导体技术为提高RF/微波功率放大的性能水平作出了巨大贡献。 通过降低器件的寄生参数，以及采用更短的栅极长度和更高的工作电压，GaN晶体管已实现更高的输出功率密度、更宽的带宽和更好的DC转RF效率。 例如，在2014年，能支持8kW脉冲输出功率的GaN工艺的X波段放大器已被验证能在雷达系统应用中替代行波管(TWT)和TWT放大器。到2016年，预计会有很多这种支持32kW的固态GaN工艺的共V领放大器出现。在期待这些放大器的同时，我们将考察高功率GaN放大器的一些主要特征和特性。

不久前，GaN还是反射频电子战(CREW)应用的首选技术，已有成千上万的放大器交付实际使用。 现在，该技术也被部署到机载电子战领域，开发中的放大器能够在RF/微波范围的多个频带上提供数百瓦的输出功率。多款此系列的宽带电子战功率放大器将会在今年发布。

后续研究方面包括改进高峰均功率比(PAPR)波形的线性度，此类波形被许多军用通信系统采用，包括通用数据链(CDL)、宽带网络波形(WNW)、军用无线电波形(SRW)和宽带卫星通信(satcom)应用。 ADI公司的“比特转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，这种整合将有利于提高PA线性度和效率。

过去几年发布的GaN器件既有分立式场效应晶体管(FET)，也有单芯片微波集成电路(MMIC)，它们已广泛用于高功率微波放大器系统。 此类器件有多家晶圆厂和器件制造商可以提供，通常采用100 mm碳化硅(SiC)晶圆制造。 硅上氮化镓工艺也在考虑当中，但硅的热导率和电导率相对较差，抵消了其在高性能、高可靠性应用中的成本优势。 这些器件的栅极长度小至0.2 μm，支持在毫米波频段工作。 在许多高频应用以及所有低频应用（除对成本最为敏感的应用之外）中，基于GaN的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栅极宽度容许的电流大致是GaAs器件的两倍。 这些特性对PA设计人员有重要意义，意味着在给定输出功率水平可以支持更高的负载阻抗。 以前基于GaAs或LDMOS的设计的输出阻抗常常极其低（相对于50 Ω或75 Ω的典型系统阻抗而言）。 低器件阻抗会限制可实现的带宽，也就是说，随着放大器件与其负载之间的阻抗转换比要求提高，元件数和插入损耗也会增加。 由于这种高阻抗，此类器件的早期使用者在某些情况下仅将一个器件安装在不匹配的测试夹具中，施加直流偏置，并用RF/微波测试信号驱动该器件，便取得了部分成果。

由于这些工作特性及其异常高的可靠性，GaN器件也适用于高可靠性空间应用。 多家器件供应商在225°C或更高的结温下进行了寿命测试，结果表明单个器件的平均失效前时间(MTTF)超过一百万小时。 如此高的可靠性主要是因为GaN具有很高的带隙值（GaN为3.4，GaAs为1.4）， 这使得它特别适合高可靠性应用。

扩大GaN在高功率应用中的使用的主要障碍是其制造成本相对较高，通常比GaAs高出两到三倍，比Si LDMOS器件高出五到七倍。 这阻碍了它在无线基础设施和消费者手持设备等成本敏感型应用中的使用。 现在有了硅上氮化镓工艺，虽然存在上面提到的性能问题，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器件制造转向更大尺寸的晶圆（直径150 mm及更大，目前有多家领先的GaN器件代工厂正在开发），成本有望降低50%左右。

2、GaN功率放大技术发展状态评测

目前部署的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TWT功率放大器。 此类放大器在高电源电压（10 kV至100 kV）和高温下运行，容易因为冲击和振动过大而受损。 这些TWT放大器的现场可靠性通常只有1200到1500小时，导致维护和备件成本很高。

作为高功率TWT放大器的替代产品，ADI公司基于GaN技术开发了一款8 kW固态X波段功率放大器。 该设计采用创新的分层合并方法，将256个MMIC的RF/微波输出功率加总，各MMIC产生大约35 W的输出功率。 当个别MMIC发生故障时，这种合并方法保证输出性能不会急剧降低。 TWT放大器则不是如此，由于其冗余性较低，单一故障往往会导致器件发生灾难性故障。 对于这种固态GaN功率放大器，RF/微波合并架构必须在MMIC间所需的隔离与整个网络的RF/微波插入损耗之间取得合理的平衡。

8 kW放大器拓扑是模块式，包括4个2 kW放大器组件，其输出功率利用波导结构加以合并（图1）。 该放大器可以安装在标准19英寸机壳中。 该放大器的当前设计（图2）采用水冷，其他采用空冷的版本正在开发当中。 表1给出了水冷8 kW GaN PA的性能摘要。

图1. 基于GaN的固态功率放大器能够在X波段提供8kW输出功率

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12 W输出功率的紧凑型台式放大器（图7）和一款100 W输出功率的机架安装单元（图8）。 频率范围从2 GHz到6 GHz以及从6 GHz到18 GHz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功率合成器，其合并效率将大为改善，损耗也低于当前功率合成器。

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。

作者简介

Walt DeMore于1983年获得美国加州大学洛杉矶分校电气工程学士学位，于1987年获得休斯飞机公司奖学金计划下的电气工程硕士学位。 在休斯公司工作期间，他参与了多个国家安全项目，包括Milstar卫星星座和宽带全球卫星系统。 他的贡献包括微波模块和MMIC开发、相控阵子系统架构和设计、领导工程设计团队等。 他还拥有5项美国专利。

2002年，Walt加入TRW，该公司后来被Northrop Grumman收购，他在这家公司领导开发了工作在30 MHz到45 GHz范围的高效率宽带RF功率放大器，以及C、X和Ku波段SATCOM和地面通信终端。 Walt于2010年被评选为Northrop Grumman技术院士，以表彰其杰出的工作。

Walt目前担任工程经理，领导ADI公司位于美国加州圣迭戈的高功率子系统部门。 该部门专注于面向雷达和电子战应用的超高功率、宽带固态功率放大器的设计和开发。