1.前言

電信領(lǐng)域?qū)Ω邤?shù)據(jù)速率和工業(yè)系統(tǒng)更高分辨率的需求不斷增長，推動(dòng)支持它們的電子設(shè)備的工作頻率更高。許多這些系統(tǒng)在很寬的頻譜上運(yùn)行，進(jìn)一步增加帶寬要求是對(duì)新設(shè)計(jì)的普遍要求。在許多這些系統(tǒng)中，都在推動(dòng)對(duì)所有頻段使用一個(gè)信號(hào)鏈。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步帶來了高功率和寬帶放大器能力的突破。由于 GaN 革命席卷整個(gè)行業(yè)并使 MMIC 能夠在數(shù)十年的帶寬內(nèi)產(chǎn)生大于 1 W 的功率，因此曾經(jīng)由行波管主導(dǎo)的領(lǐng)域已經(jīng)開始讓位于半導(dǎo)體器件。隨著更短的柵極長度 GaAs 和 GaN 晶體管的面世，再加上改進(jìn)的電路設(shè)計(jì)技術(shù)，新的器件不斷涌現(xiàn)，它們可以在毫米波頻率下輕松運(yùn)行，開啟了十年前難以想象的新應(yīng)用。本文將簡要描述支持這些發(fā)展的半導(dǎo)體技術(shù)的狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)最佳性能的電路設(shè)計(jì)考慮因素，以及展示當(dāng)今技術(shù)的 GaAs 和 GaN 寬帶功率放大器 (PA) 的示例。

許多無線電子系統(tǒng)在很寬的頻率范圍內(nèi)工作。在軍事工業(yè)中，雷達(dá)頻段從幾百 MHz 到幾 GHz。需要在非常寬的帶寬上工作的電子戰(zhàn)和電子對(duì)抗系統(tǒng)。威脅可能來自各種頻率，例如 MHz 到 20 GHz，甚至現(xiàn)在更高的頻率。隨著更多電子產(chǎn)品在更高頻率下可用，對(duì)更高頻率電子戰(zhàn)系統(tǒng)的需求將激增。在電信領(lǐng)域，基站的工作頻率范圍為 450 MHz 至 ~3.5 GHz，并且隨著對(duì)更多帶寬的需求不斷增加，基站的頻率還在不斷增加。衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要從 C 波段到 Ka 波段運(yùn)行。用于測量這些不同電子設(shè)備的儀器需要在所有要求的頻率范圍內(nèi)工作才能被普遍接受。其結(jié)果，系統(tǒng)工程師在嘗試設(shè)計(jì)電子設(shè)備以覆蓋整個(gè)頻率范圍時(shí)面臨挑戰(zhàn)?？紤]到讓一個(gè)信號(hào)鏈覆蓋整個(gè)頻率范圍的可能性，大多數(shù)系統(tǒng)工程師和采購人員都會(huì)非常興奮。讓一個(gè)信號(hào)鏈覆蓋整個(gè)頻率范圍有很多優(yōu)勢，包括更簡單的設(shè)計(jì)、更快的上市時(shí)間、更少的組件庫存管理等等。單一信號(hào)鏈方法的挑戰(zhàn)始終與寬帶解決方案與窄帶解決方案帶來的性能下降有關(guān)。這一挑戰(zhàn)的核心是功率放大器，當(dāng)在窄帶寬上調(diào)諧時(shí)，它通常在功率和效率方面具有卓越的性能。大多數(shù)系統(tǒng)工程師和采購人員都會(huì)非常興奮。讓一個(gè)信號(hào)鏈覆蓋整個(gè)頻率范圍有很多優(yōu)勢，包括更簡單的設(shè)計(jì)、更快的上市時(shí)間、更少的組件庫存管理等等。單一信號(hào)鏈方法的挑戰(zhàn)始終與寬帶解決方案與窄帶解決方案帶來的性能下降有關(guān)。這一挑戰(zhàn)的核心是功率放大器，當(dāng)在窄帶寬上調(diào)諧時(shí)，它通常在功率和效率方面具有卓越的性能。大多數(shù)系統(tǒng)工程師和采購人員都會(huì)非常興奮。讓一個(gè)信號(hào)鏈覆蓋整個(gè)頻率范圍有很多優(yōu)勢，包括更簡單的設(shè)計(jì)、更快的上市時(shí)間、更少的組件庫存管理等等。單一信號(hào)鏈方法的挑戰(zhàn)始終與寬帶解決方案與窄帶解決方案帶來的性能下降有關(guān)。這一挑戰(zhàn)的核心是功率放大器，當(dāng)在窄帶寬上調(diào)諧時(shí)，它通常在功率和效率方面具有卓越的性能。單一信號(hào)鏈方法的挑戰(zhàn)始終與寬帶解決方案與窄帶解決方案帶來的性能下降有關(guān)。這一挑戰(zhàn)的核心是功率放大器，當(dāng)在窄帶寬上調(diào)諧時(shí)，它通常在功率和效率方面具有卓越的性能。單一信號(hào)鏈方法的挑戰(zhàn)始終與寬帶解決方案與窄帶解決方案帶來的性能下降有關(guān)。這一挑戰(zhàn)的核心是功率放大器，當(dāng)在窄帶寬上調(diào)諧時(shí)，它通常在功率和效率方面具有卓越的性能。

半導(dǎo)體技術(shù)

在過去的幾年里，行波管 (TWT) 放大器在許多這些系統(tǒng)中作為輸出功率放大器級(jí)在高功率電子設(shè)備中占據(jù)主導(dǎo)地位。TWT 有一些不錯(cuò)的屬性，包括 kWs 的功率能力、在八度音程甚至多個(gè)八度音程帶寬上運(yùn)行、回退條件下的高效率以及良好的溫度穩(wěn)定性。TWT 有一些缺點(diǎn)，包括長期可靠性差、效率低以及需要非常高的工作電壓（~1 kV 或更高）。鑒于半導(dǎo)體 IC 的長期可靠性，從 GaAs 開始，多年來一直在推動(dòng)這些電子產(chǎn)品。在可能的情況下，許多系統(tǒng)工程師已經(jīng)努力將多個(gè) GaAs IC 組合起來以產(chǎn)生大的輸出功率。整個(gè)公司的創(chuàng)建完全基于結(jié)合技術(shù)并有效地進(jìn)行。組合技術(shù)有很多種，如空間組合、企業(yè)組合等，這些組合技術(shù)都遭遇同樣的命運(yùn)—組合有損失，理想情況下，您不必使用這些組合技術(shù)。這促使我們使用高功率電子設(shè)備來開始設(shè)計(jì)。增加功率放大器射頻功率的最簡單方法是增加電壓，這使得氮化鎵晶體管技術(shù)如此具有吸引力。如果我們比較各種半導(dǎo)體工藝技術(shù)，我們可以看到功率通常如何隨著高工作電壓 IC 技術(shù)而增加。硅鍺 (SiGe) 技術(shù)使用 2 V 至 3 V 的相對(duì)較低的工作電壓，但因其集成優(yōu)勢而極具吸引力。GaAs 多年來一直廣泛用于微波頻率的功率放大器，工作電壓為 5 V 至 7 V。 工作電壓為 28 V 的硅 LDMOS 技術(shù)已在電信、但它主要在 4 GHz 以下有用，因此它在寬帶應(yīng)用中的應(yīng)用并不廣泛。在碳化硅 (SiC) 等低損耗、高導(dǎo)熱襯底上以 28 V 至 50 V 電壓運(yùn)行的 GaN 技術(shù)的出現(xiàn)開辟了一系列新的可能性。今天，硅基氮化鎵技術(shù)僅限于在 6 GHz 以下運(yùn)行。與硅襯底相關(guān)的射頻損耗及其與 SiC 相比較低的熱導(dǎo)率會(huì)隨著頻率的增加而影響增益、效率和功率。圖 1 顯示了各種半導(dǎo)體技術(shù)的比較以及它們之間的比較。碳化硅 (SiC) 等高導(dǎo)熱襯底開辟了一系列新的可能性。今天，硅基氮化鎵技術(shù)僅限于在 6 GHz 以下運(yùn)行。與硅襯底相關(guān)的射頻損耗及其與 SiC 相比較低的熱導(dǎo)率會(huì)隨著頻率的增加而影響增益、效率和功率。圖 1 顯示了各種半導(dǎo)體技術(shù)的比較以及它們之間的比較。碳化硅 (SiC) 等高導(dǎo)熱襯底開辟了一系列新的可能性。今天，硅基氮化鎵技術(shù)僅限于在 6 GHz 以下運(yùn)行。與硅襯底相關(guān)的射頻損耗及其與 SiC 相比較低的熱導(dǎo)率會(huì)隨著頻率的增加而影響增益、效率和功率。圖 1 顯示了各種半導(dǎo)體技術(shù)的比較以及它們之間的比較。

圖 1. 微波頻率范圍電力電子的工藝技術(shù)比較。

GaN 技術(shù)的出現(xiàn)推動(dòng)了行業(yè)從 TWT 放大器轉(zhuǎn)向使用 GaN 放大器作為其中許多系統(tǒng)的輸出級(jí)。許多這些系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)放大器仍然通常是 GaAs，因?yàn)檫@種技術(shù)的大部分已經(jīng)存在并不斷改進(jìn)。接下來我們將看看如何使用電路設(shè)計(jì)從這些寬帶功率放大器中提取盡可能多的功率、帶寬和效率。當(dāng)然，基于 GaN 的設(shè)計(jì)能夠比基于 GaAs 的設(shè)計(jì)具有更高的輸出功率，并且設(shè)計(jì)考慮因素大致相同。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在選擇如何開始設(shè)計(jì)以優(yōu)化功率、效率和帶寬時(shí)，IC 設(shè)計(jì)人員可以使用不同的拓?fù)浜驮O(shè)計(jì)考慮因素。最常見的單片放大器設(shè)計(jì)類型是多級(jí)、共源、基于晶體管的設(shè)計(jì)，也稱為級(jí)聯(lián)放大器設(shè)計(jì)。在這里，每一級(jí)的增益都成倍增加，從而導(dǎo)致高增益并允許我們?cè)黾虞敵鼍w管的尺寸以增加 RF 功率。GaN 在這里提供了好處，因?yàn)槲覀兡軌虼蟠蠛喕敵鼋M合器，減少損耗，從而提高效率，并縮小芯片尺寸，如圖 2 所示。因此，我們能夠?qū)崿F(xiàn)更寬的帶寬并提高表現(xiàn)。從 GaAs 轉(zhuǎn)向 GaN 器件的一個(gè)不太明顯的好處是實(shí)現(xiàn)給定的 RF 功率水平，可能是 4 W—晶體管尺寸將更小，從而導(dǎo)致每級(jí)更高的增益。它將導(dǎo)致每個(gè)設(shè)計(jì)的階段更少，并最終提高效率。這種級(jí)聯(lián)放大器技術(shù)的挑戰(zhàn)在于，即使在 GaN 技術(shù)的幫助下，也很難在不顯著降低功率和效率的情況下實(shí)現(xiàn)一個(gè)倍頻程以上的帶寬。

圖 2. 多級(jí) GaAs PA 與等效 GaN PA 的比較。

蘭格耦合器

實(shí)現(xiàn)寬帶寬設(shè)計(jì)的一種方法是在 RF 輸入和輸出上使用蘭吉耦合器實(shí)現(xiàn)平衡設(shè)計(jì)，如圖 3 所示。這里的回波損耗最終取決于耦合器設(shè)計(jì)，因?yàn)閮?yōu)化增益和功率變得更容易頻率響應(yīng)，而無需優(yōu)化回波損耗。即使使用蘭格耦合器，在一個(gè)倍頻程上實(shí)現(xiàn)帶寬也變得更加困難，但它們確實(shí)為設(shè)計(jì)提供了非常好的回波損耗。

圖 3. 使用蘭格耦合器的平衡放大器。

分布式放大器

下一個(gè)要考慮的拓?fù)涫菆D 4 中所示的分布式功率放大器。分布式功率放大器的好處是通過將晶體管的寄生效應(yīng)合并到設(shè)備之間的匹配網(wǎng)絡(luò)中來實(shí)現(xiàn)的。器件的輸入和輸出電容可以分別與柵極和漏極線電感結(jié)合，使傳輸線幾乎透明，不包括傳輸線損耗。通過這樣做，放大器的增益應(yīng)僅受器件的跨導(dǎo)限制，而不受與器件相關(guān)的電容寄生效應(yīng)的限制。只有當(dāng)沿柵極線傳輸?shù)男盘?hào)與沿漏極線傳輸?shù)男盘?hào)同相時(shí)才會(huì)發(fā)生這種情況，因此每個(gè)晶體管的輸出電壓與之前的晶體管輸出同相。傳輸?shù)捷敵龆说男盘?hào)將產(chǎn)生相長干擾，因此信號(hào)沿漏極線增長。任何反向波都會(huì)破壞性地干擾，因?yàn)檫@些信號(hào)不會(huì)同相。包括柵極線終端以吸收未耦合到晶體管柵極的任何信號(hào)。包括漏極線路終端以吸收任何可能破壞性干擾輸出信號(hào)并改善低頻回波損耗的反向行波。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)從 kHz 到許多 GHz 的數(shù)十倍帶寬。當(dāng)需要超過一個(gè)倍頻程的帶寬時(shí)，這種拓?fù)浜芰餍校⑶矣幸恍┎诲e(cuò)的好處，例如增益平坦、良好的回波損耗、高功率等。分布式放大器的圖示如圖 4 所示。

圖 4. 分布式放大器的簡化框圖。

分布式放大器面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是功率能力由施加到設(shè)備上的電壓決定。由于沒有窄帶調(diào)諧能力，您實(shí)際上是為晶體管或接近晶體管提供 50 Ω 阻抗。當(dāng)我們考慮功率放大器的平均功率等式時(shí)，PA 的平均功率、R L或最佳負(fù)載電阻基本上變?yōu)?/span> 50 Ω。因此，可實(shí)現(xiàn)的輸出功率由施加到放大器的電壓決定，如果我們想增加輸出功率，我們需要增加施加到放大器的電壓。

這就是 GaN 變得非常有用的地方，因?yàn)槲覀兛梢钥焖購氖褂?GaAs 的 5 V 電源電壓轉(zhuǎn)換為使用 GaN 的 28 V 電源電壓，并且只需從 GaAs 更改為 GaN 技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)的功率就從 0.25 W 增加到近 8 W . 還有其他需要考慮的因素，例如 GaN 中可用工藝的柵極長度，以及它們是否可以在頻帶的高頻端實(shí)現(xiàn)您需要的增益。隨著時(shí)間的推移，更多的這些 GaN 工藝變得可用。

固定 R L與級(jí)聯(lián)放大器相比，分布式放大器的 50 Ω 是不同的，在級(jí)聯(lián)放大器中，我們通過匹配網(wǎng)絡(luò)改變呈現(xiàn)給晶體管的電阻值，以優(yōu)化放大器的功率。優(yōu)化呈現(xiàn)給具有級(jí)聯(lián)放大器的晶體管的電阻值的好處在于它可以提高射頻功率。從理論上講，我們可以繼續(xù)增加晶體管外圍尺寸以繼續(xù)增加 RF 功率，但是這存在實(shí)際限制，例如復(fù)雜性、裸片尺寸和組合損耗。匹配網(wǎng)絡(luò)也傾向于限制帶寬，因?yàn)樗鼈冏兊秒y以在寬頻率上提供最佳阻抗。在分布式功率放大器中，只有傳輸線的目的是使信號(hào)沿放大器產(chǎn)生相長干擾，而不是匹配網(wǎng)絡(luò)。還有其他技術(shù)可以進(jìn)一步提高分布式放大器的功率，例如使用共源共柵放大器拓?fù)溥M(jìn)一步增加放大器的電壓供應(yīng)。

結(jié)論

我們已經(jīng)表明，有多種技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)可以在提供最佳功率、效率和帶寬方面進(jìn)行權(quán)衡。這些不同的拓?fù)浜图夹g(shù)中的每一種都可能在半導(dǎo)體世界中占有一席之地，因?yàn)樗鼈兌继峁┝撕锰?，這就是它們存活至今的原因。在這里，我們將重點(diǎn)關(guān)注一些我們認(rèn)為可以展示當(dāng)今使用這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)高功率、高效率和高帶寬的可能性的結(jié)果。