GaN——如何让RF功率放大器带宽和功率突飞猛进

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)

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（2V至3V），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4GHz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28V至50V，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。

图1. 微波频率范围功率电子设备的工艺技术对比。

图2. 多级GaAs功率放大器和等效GaN功率放大器的比较。

兰格耦合器

实现宽带宽设计的一种方法就是在RF输入和输出端使用兰格耦合器实现均衡设计，如图3所示。这里的回波损耗最终取决于耦合器设计，因为这将更容易优化增益和频率功率响应，并且无需优化回波损耗。即便是在使用兰格耦合器的情况下，也更难实现倍频程带宽，但却可以让设计实现不错的回波损耗。

图3. 采用兰格耦合器的均衡放大器。