氮化鎵(GaN)功率半導(dǎo)體技術(shù)和模塊式設(shè)計(jì)的進(jìn)步，使得微波頻率的高功率連續(xù)波(CW)和脈沖放大器成為可能。

通過減少器件的寄生元件，以及采用更短的柵極長度和更高的工作電壓，GaN晶體管已實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率密度、更寬的帶寬和更好的DC轉(zhuǎn)RF效率。

作為反射頻電子戰(zhàn)(CREW)應(yīng)用的首選技術(shù)，GaN已有成千上萬的放大器交付實(shí)際使用。現(xiàn)在，該技術(shù)也被部署到機(jī)載電子戰(zhàn)領(lǐng)域，開發(fā)中的放大器能夠在RF/微波范圍的多個(gè)倍頻程上提供數(shù)百瓦的輸出功率。

ADI的“比特轉(zhuǎn)RF”計(jì)劃將整合公司在基帶信號(hào)處理和GaN功率放大器(PA)技術(shù)方面的優(yōu)勢。通過使用預(yù)失真和包絡(luò)調(diào)制等技術(shù)，這種整合將有利于提高PA線性度和效率。

RF功率放大器設(shè)計(jì)人員關(guān)注GaN器件，因?yàn)樗鼈冎С址浅８叩墓ぷ麟妷?比GaAs高三到五倍)，并且每單位FET柵極寬度容許的電流大致是GaAs器件的兩倍。這些特性對PA設(shè)計(jì)人員有重要意義，意味著在給定輸出功率水平可以支持更高的負(fù)載阻抗。以前基于GaAs或LDMOS的設(shè)計(jì)的輸出阻抗常常極其低(相對于50 Ω或75 Ω的典型系統(tǒng)阻抗而言)。低器件阻抗會(huì)限制可實(shí)現(xiàn)的帶寬，也就是說，隨著放大器件與其負(fù)載之間的阻抗轉(zhuǎn)換比要求提高，元件數(shù)和插入損耗也會(huì)增加。由于這種高阻抗，此類器件的早期使用者在某些情況下僅將一個(gè)器件安裝在不匹配的測試夾具中，施加直流偏置，并用RF/微波測試信號(hào)驅(qū)動(dòng)該器件，便取得了部分成果。

由于這些工作特性及其異常高的可靠性，GaN器件也適用于高可靠性空間應(yīng)用。多家器件供應(yīng)商在225°C或更高的結(jié)溫下進(jìn)行了壽命測試，結(jié)果表明單個(gè)器件的平均失效前時(shí)間(MTTF)超過一百萬小時(shí)。如此高的可靠性主要是因?yàn)镚aN具有很高的帶隙值(GaN為3.4，GaAs為1.4)，這使得它特別適合高可靠性應(yīng)用。

擴(kuò)大GaN在高功率應(yīng)用中的使用的主要障礙是其制造成本相對較高，通常比GaAs高出兩到三倍，比Si LDMOS器件高出五到七倍。這阻礙了它在無線基礎(chǔ)設(shè)施和消費(fèi)者手持設(shè)備等成本敏感型應(yīng)用中的使用。現(xiàn)在有了硅上氮化鎵工藝，雖然存在上面提到的性能問題，但這種工藝生產(chǎn)的器件可能最適合成本敏感型應(yīng)用。在不久的將來，隨著GaN器件制造轉(zhuǎn)向更大尺寸的晶圓(直徑150 mm及更大，目前有多家領(lǐng)先的GaN器件代工廠正在開發(fā))，成本有望降低50%左右。

目前部署的用于天氣預(yù)報(bào)和目標(biāo)捕獲/識(shí)別的雷達(dá)系統(tǒng)，依賴于工作在C波段和X波段頻率的TWT功率放大器。此類放大器在高電源電壓(10 kV至100 kV)和高溫下運(yùn)行，容易因?yàn)闆_擊和振動(dòng)過大而受損。這些TWT放大器的現(xiàn)場可靠性通常只有1200到1500小時(shí)，導(dǎo)致維護(hù)和備件成本很高。

作為高功率TWT放大器的替代產(chǎn)品，ADI基于GaN技術(shù)開發(fā)了一款8 kW固態(tài)X波段功率放大器。該設(shè)計(jì)采用創(chuàng)新的分層合并方法，將256個(gè)MMIC的RF/微波輸出功率加總，各MMIC產(chǎn)生大約35 W的輸出功率。當(dāng)個(gè)別MMIC發(fā)生故障時(shí)，這種合并方法保證輸出性能不會(huì)急劇降低。TWT放大器則不是如此，由于其冗余性較低，單一故障往往會(huì)導(dǎo)致器件發(fā)生災(zāi)難性故障。對于這種固態(tài)GaN功率放大器，RF/微波合并架構(gòu)必須在MMIC間所需的隔離與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的RF/微波插入損耗之間取得合理的平衡。

8 kW放大器拓?fù)涫悄K式，包括4個(gè)2 kW放大器組件，其輸出功 率利用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)加以合并(圖1)。

該放大器可以安裝在標(biāo)準(zhǔn)19英寸機(jī)殼中。該放大器的當(dāng)前設(shè)計(jì)(圖2)采用水冷，其他采用空冷的版本正在開發(fā)當(dāng)中。

表1給出了水冷8 kW GaN PA的性能摘要。

表1. 8 kW PA典型性能

8 kW SSPA支持將多個(gè)模塊式SSPA合并以產(chǎn)生更高的功率水平。目前正在開發(fā)含有三個(gè)這樣的8 kW SSPA模塊的放大器，其在相同頻率范圍上可實(shí)現(xiàn)24 kW的峰值輸出功率水平。其他實(shí)現(xiàn)32 kW功率水平的配置也是可行的，目前正在考慮以供進(jìn)一步評(píng)估。

基于GaN的高級(jí)模塊

ADI當(dāng)前正在開發(fā)一種高級(jí)功率模塊，也是基于GaN技術(shù)，其RF/微波輸出功率將是當(dāng)前模塊的兩倍。該模塊采用密封設(shè)計(jì)，支持在極端環(huán)境下工作。結(jié)合下一代合并結(jié)構(gòu)和更低的插入損耗(與當(dāng)前方法相比)，它將把RF/微波頻率的脈沖輸出功率提高到接近75 kW到100 kW的水平。這些先進(jìn)的高功率SSPA將包括控制和處理器功能，支持故障監(jiān)控、內(nèi)置測試(BIT)功能、遠(yuǎn)程診斷測試以及對MMIC器件(為放大器供電)的快速實(shí)時(shí)偏置控制電路進(jìn)行控制。

此類GaN固態(tài)功率放大器旨在解決業(yè)界對寬瞬時(shí)帶寬、高輸出功率放大器的需求。某些系統(tǒng)嘗試?yán)猛ǖ阑蚨鄠€(gè)放大器來滿足這些要求，每個(gè)放大器覆蓋所需頻譜的一部分并饋入一個(gè)多路復(fù)用器。這會(huì)提高成本和復(fù)雜性，并導(dǎo)致在多路復(fù)用器的頻率交越點(diǎn)處出現(xiàn)空隙。更有效的替代解決方案是以更高的功率水平連續(xù)覆蓋寬頻率范圍，這已經(jīng)通過兩個(gè)不同的GaN放大器得到實(shí)現(xiàn)，其覆蓋VHF至L波段頻率以及2 GHz至18 GHz。

針對VHF到S波段頻率的放大器

針對VHF到S波段頻率，ADI開發(fā)了一款尺寸非常小、功能豐富、多倍頻程的放大器，其在115 MHz到2000 MHz范圍內(nèi)可提供50 W輸出功率。在全頻率范圍內(nèi)，當(dāng)饋入0 dBm的標(biāo)稱輸入信號(hào)時(shí)，該放大器可實(shí)現(xiàn)46 dBm (典型值40 W)的輸出功率水平。

該放大器采用尺寸為7.3" × 3.6" × 1.4"的緊湊式封裝，具有BIT功 能，可提供熱和電流過載保護(hù)及遙測報(bào)告，并集成DC-DC轉(zhuǎn)換器以實(shí)現(xiàn)最佳RF性能，輸入電源范圍是26 VDC到30 VDC。圖3所示為該放大器的照片，輸出功率的典型實(shí)測性能數(shù)據(jù)與頻率的關(guān)系如圖4所示。

圖3. 連續(xù)波(CW)、50 W、固態(tài)功率放大器，工作頻率范圍為115 MHz至2000 MHz

圖4. 50 W、115 MHz至2000 MHz功率放大器的輸出功率與頻率的關(guān)系

針對2 GHz以上寬帶應(yīng)用的放大器

針對2 GHz以上的寬帶應(yīng)用，ADI也開發(fā)了一款GaN放大器，其可在2 GHz到18 GHz頻段產(chǎn)生50 W連續(xù)波(CW)輸出功率。這款放大器采用商用10 W GaN MMIC，其輸出功率貢獻(xiàn)通過寬帶低損耗合并電路加以合并。多個(gè)這樣的放大器也可以合并，以在同樣的2 GHz到18 GHz帶寬產(chǎn)生高達(dá)200 W的輸出功率。驅(qū)動(dòng)放大器鏈也是基于GaN有源器件。該放大器采用48 VDC供電，內(nèi)置穩(wěn)壓器和高速開關(guān)電路，支持脈沖操作，具有良好的脈沖保真度和快速上升/下降時(shí)間。表2列出的這款放大器的規(guī)格。

表2. 典型寬帶SSPA性能

圖5所示為該放大器的照片，圖6顯示了該放大器的輸出功率與頻率(2 GHz至18 GHz)的函數(shù)關(guān)系。

圖5. 50 W、CW輸出功率放大器，工作頻率范圍為2 GHz至18 GHz

圖6. 50 W、2 GHz至18 GHz功率放大器的輸出功率與頻率的關(guān)系

這款50 W放大器是2 GHz到18 GHz頻段系列放大器中的一員。ADI還開發(fā)了一款12 W輸出功率的緊湊型臺(tái)式放大器(圖7)和一款100 W輸出功率的機(jī)架安裝單元(圖8)。頻率范圍從2 GHz到6 GHz以及從6 GHz到18 GHz的其他放大器正在開發(fā)中。ADI還在努力將這些寬帶放大器的輸出功率從當(dāng)前水平提高到200 W及更高水平。為了實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率水平，ADI正在開發(fā)高輸出功率模塊和寬帶RF功率合并器，其合并效率將大為改善，損耗也低于當(dāng)前功率合并器。

圖7. 寬帶2 GHz至18 GHz功率放大器，在全頻率范圍產(chǎn)生12 W CW輸出功率

圖8. 2 GHz至18 GHz固態(tài)功率放大器，在全頻率范圍產(chǎn)生100 W CW輸出功率

以上是利用GaN固態(tài)放大器可實(shí)現(xiàn)的性能水平的幾個(gè)例子。隨著更多GaN半導(dǎo)體供應(yīng)商轉(zhuǎn)向更大尺寸的晶圓，以及每片晶圓的良品率持續(xù)提高，將來此類放大器的單位成本有望降低。隨著柵極長度的縮短，基于GaN的SSPA將能支持更高的工作頻率，因此會(huì)有越來越多的GaN器件用于工作在毫米波頻率的系統(tǒng)。顯而易見，當(dāng)前GaN改善性能并降低成本的趨勢應(yīng)當(dāng)會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。