如何使用GaN提高RF功率放大器的带宽和功率

　　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）。许多无线电子系统都可覆盖很宽的频率范围。在军事工业中，雷达频段可覆盖从几百MHz到GHz级频率。一些电子战和电子对抗系统需要在极宽的带宽下工作。各种不同频率，如MHz至20 GHz，甚至包括更高的频率，现在都面临着挑战。随着越来越多电子设备支持更高频率，对更高频率电子战系统的需求将会出现井喷。在电信行业，基站的工作频率为450 MHz至3.5 GHz左右，并且随着更高带宽的需求增长而持续增加。卫星通信系统的工作频率主要为C-波段至Ka-波段。用于测量这些不同电子设备的仪器仪表需要能在所有这些必要的频率下工作，才能得到国际认可。因此，系统工程师需要努力尝试设计一些能够覆盖整个频率范围的电子设备。想到可以使用单个信号链覆盖整个频率范围，大多数系统工程师和采购人员都会非常兴奋。用单个信号链覆盖整个频率范围将会带来许多优势，其中包括简化设计、加速上市时间、减少要管理的器件库存等。单信号链方案的挑战始终绕不开宽带解决方案相对窄带解决方案的性能衰减。挑战的核心在于功率放大器，对于窄带宽其具有一流的功率和效率性能。

　　半导体技术

　　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（2 V至3 V），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4 GHz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28 V至50 V，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。

　　GaN技术的出现让业界放弃TWT放大器，转而使用GaN放大器作为许多系统的输出级。这些系统中的驱动放大器仍然主要使用GaAs，这是因为这种技术已经大量部署并且始终在改进。下一步，我们将寻求如何使用电路设计，从这些宽带功率放大器中提取较大功率、带宽和效率。当然，相比基于GaAs的设计，基于GaN的设计能够提供更高的输出功率，并且其设计考虑因素在很大程度上是相同的。

　　设计考虑因素

　　选择如何开始设计以优化功率、效率及带宽时，IC设计师可以使用不同拓扑及设计考虑因素。最常见的单块放大器设计类型就是一种多级、共源、基于晶体管的设计，也称作级联放大器设计。这里，增益放大器会从每一级增加，从而实现高增益，并允许我们增加输出晶体管大小，以增加RF功率。GaN在这里提供了一些优势，因为我们能够大幅简化输出合成器、减少损耗，因而可以提高效率，减小芯片尺寸，如图2所示。因此，我们能够实现更宽带宽并提高性能。从GaAs转向GaN设备的一个不太明显的优势就是，能够实现给定RF功率水平，可能是4 W。晶体管尺寸将会更小，从而实现更高的每级增益。这将带来更少的设计级，最终实现更高效率。这些级联放大器技术的挑战在于，在不显著降低功率和效率，甚至在不借助GaN技术的情况下，很难实现倍频程带宽。