高功率GaN放大器的主要特徵和特性詳解

 

氮化鎵(GaN)功率半導體技術為提高RF/微波功率放大的性能水平作出了巨大貢獻。通過減少器件的寄生元件，以及採用更短的柵極長度和更高的工作電壓，GaN電晶體已實現更高的輸出功率密度、更寬的帶寬和更好的DC轉RF效率。例如，2014年已做過基於GaN的X波段放大器的雷達系統應用展示，它能提供8kW脈衝輸出功率，用於取代行波管(TWT)器件和TWT放大器。2016年預計會出現這些固態GaN功率放大器的32kW版本。在期待這些放大器的同時，我們將考察高功率GaN放大器的一些主要特徵和特性。

不久前，GaN還是反射頻電子戰(CREW)應用的首選技術，已有成千上萬的放大器交付實際使用。現在，該技術也被部署到機載電子戰領域，開發中的放大器能夠在RF/微波範圍的多個倍頻程上提供數百瓦的輸出功率。此類寬帶電子戰功率放大器的多個版本將會在今年發布。

後續研究方面包括改進高峰均功率比(PAPR)波形的線性度，此類波形被許多軍用通信系統採用，包括通用數據鏈(CDL)、寬帶網絡波形(WNW)、士兵無線電波形(SRW)和寬帶衛星通信(satcom)應用。ADI公司的「比特轉RF」計劃將整合公司在基帶信號處理和GaN功率放大器(PA)技術方面的優勢。通過使用預失真和包絡調製等技術，這種整合將有利於提高PA線性度和效率。 

過去幾年發布的GaN器件既有分立式場效應電晶體(FET)，也有單晶片微波集成電路(MMIC)，它們已廣泛用於高功率微波放大器系統。此類器件有多家晶圓廠和器件製造商可以提供，通常採用100mm碳化矽(SiC)晶圓製造。矽上氮化鎵工藝也在考慮當中，但矽的熱導率和電導率相對較差，抵消了其在高性能、高可靠性應用中的成本優勢。這些器件的柵極長度小至0.2μm，支持在毫米波頻段工作。在許多高頻應用以及所有低頻應用(除對成本最為敏感的應用之外)中，基於GaN的器件已經在很大程度上取代了砷化鎵(GaAs)和矽橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS) 器件。

RF功率放大器設計人員關注GaN器件，因為它們支持非常高的工作電壓(比GaAs高三到五倍)，並且每單位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設計人員有重要意義，意味著在給定輸出功率水平可以支持更高的負載阻抗。以前基於GaAs或LDMOS的設計的輸出阻抗常常極其低(相對於50 Ω 或75 Ω的典型系統阻抗而言)。低器件阻抗會限制可實現的帶寬，也就是說，隨著放大器件與其負載之間的阻抗轉換比要求提高，元件數和插入損耗也會增加。由於這種高阻抗，此類器件的早期使用者在某些情況下僅將一個器件安裝在不匹配的測試夾具中，施加直流偏置，並用RF/微波測試信號驅動該器件，便取得了部分成果。

由於這些工作特性及其異常高的可靠性，GaN器件也適用於高可靠性空間應用。多家器件供應商在225°C或更高的結溫下進行了壽命測試，結果表明單個器件的平均失效前時間(MTTF)超過一百萬小時。如此高的可靠性主要是因為GaN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用。

擴大GaN在高功率應用中的使用的主要障礙是其製造成本相對較高，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設施和消費者手持設備等成本敏感型應用中的使用。現在有了矽上氮化鎵工藝，雖然存在上面提到的性能問題，但這種工藝生產的器件可能最適合成本敏感型應用。在不久的將來，隨著GaN器件製造轉向更大尺寸的晶圓(直徑150mm及更大，目前有多家領先的GaN器件代工廠正在開發)，成本有望降低50%左右。

目前部署的用於天氣預報和目標捕獲/識別的雷達系統，依賴於工作在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)和高溫下運行，容易因為衝擊和振動過大而受損。這些TWT放大器的現場可靠性通常只有1200到1500小時，導致維護和備件成本很高。

作為高功率TWT放大器的替代產品，ADI公司基於GaN技術開發了一款8kW固態X波段功率放大器。該設計採用創新的分層合併方法，將256個MMIC的RF/微波輸出功率加總，各MMIC產生大約35 W的輸出功率。當個別MMIC發生故障時，這種合併方法保證輸出性能不會急劇降低。TWT放大器則不是如此，由於其冗餘性較低，單一故障往往會導致器件發生災難性故障。對於這種固態GaN功率放大器，RF/微波合併架構必須在MMIC間所需的隔離與整個網絡的RF/微波插入損耗之間取得合理的平衡。

8kW放大器拓撲是模塊式，包括4個2kW放大器組件，其輸出功率利用波導結構加以合併(圖1)。該放大器可以安裝在標準19英寸機殼中。該放大器的當前設計(圖2)採用水冷，其他採用空冷的版本正在開發當中。表1給出了水冷8 kW GaN PA的性能摘要。

圖1. 基於GaN的固態功率放大器能夠提供8 kW輸出功率，工作在X波段頻率

圖2. 反映GaN、X波段固態功率放大器的結構和器件的框圖

8 kW SSPA支持將多個模塊式SSPA合併以產生更高的功率水平。目前正在開發含有三個這樣的8 kW SSPA模塊的放大器，其在相同頻率範圍上可實現24 kW的峰值輸出功率水平。其他實現32 kW功率水平的配置也是可行的，目前正在考慮以供進一步評估。

ADI公司當前正在開發一種高級功率模塊，也是基於GaN技術，其RF/微波輸出功率將是當前模塊的兩倍。該模塊採用密封設計，支持在極端環境下工作。結合下一代合併結構和更低的插入損耗(與當前方法相比)，它將把RF/微波頻率的脈衝輸出功率提高到接近75 kW到100 kW的水平。這些先進的高功率SSPA將包括控制和處理器功能，支持故障監控、內置測試(BIT)功能、遠程診斷測試以及對MMIC器件(為放大器供電)的快速實時偏置控制電路進行控制。

此類GaN固態功率放大器旨在解決業界對寬瞬時帶寬、高輸出功率放大器的需求。某些系統嘗試利用通道化或多個放大器來滿足這些要求，每個放大器覆蓋所需頻譜的一部分並饋入一個多路復用器。這會提高成本和複雜性，並導致在多路復用器的頻率交越點處出現空隙。更有效的替代解決方案是以更高的功率水平連續覆蓋寬頻率範圍，這已經通過兩個不同的GaN放大器得到實現，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，ADI公司開發了一款尺寸非常小、功能豐富、多倍頻程的放大器，其在115 MHz到2000 MHz範圍內可提供 50 W輸出功率。在全頻率範圍內，當饋入0 dBm的標稱輸入信號時，該放大器可實現46 dBm (典型值40 W)的輸出功率水平。 

該放大器採用尺寸為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及遙測報告，併集成DC-DC轉換器以實現最佳RF性能，輸入電源範圍是26 VDC到30 VDC。圖3所示為該放大器的照片，輸出功率的典型實測性能數據與頻率的關係如圖4所示。

圖3. 連續波(CW)、50 W、固態功率放大器，工作頻率範圍為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係

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

針對2 GHz以上的寬帶應用，ADI公司也開發了一款GaN放大器，其可在2 GHz到18 GHz頻段產生50 W連續波(CW)輸出功率。這款放大器採用商用10 W GaN MMIC，其輸出功率貢獻通過寬帶低損耗合併電路加以合併。多個這樣的放大器也可以合併，以在同樣的2 GHz到18 GHz帶寬產生高達200 W的輸出功率。驅動放大器鏈 也是基於GaN有源器件。該放大器採用48 VDC供電，內置穩壓器和高速開關電路，支持脈衝操作，具有良好的脈衝保真度和快速上升/下降時間。表2列出的這款放大器的規格。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)的函數關係。

圖6. 50 W、2 GHz至18 GHz功率放大器的輸出功率與頻率的關係

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公司還開發了一款12W輸出功率的緊湊型臺式放大器(圖7)和一款 100W輸出功率的機架安裝單元(圖8)。頻率範圍從2GHz到6GHz 以及從6GHz到18GHz的其他放大器正在開發中。ADI公司還在努力將這些寬帶放大器的輸出功率從當前水平提高到200 W及更高水平。為了實現更高的輸出功率水平，ADI公司正在開發高輸出功率模塊和寬帶RF功率合併器，其合併效率將大為改善，損耗也低於當前功率合併器。

圖7. 寬帶2 GHz至18 GHz功率放大器，在全頻率範圍產生12 W CW輸出功率

圖8. 2 GHz至18 GHz固態功率放大器，在全頻率範圍產生100 W CW輸出功率

以上是利用GaN固態放大器可實現的性能水平的幾個例子。隨著更多GaN半導體供應商轉向更大尺寸的晶圓，以及每片晶圓的良品率持續提高，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，基於GaN的SSPA將能支持更高的工作頻率，因此會有越來越多的GaN器件用於工作在毫米波頻率的系統。顯而易見，當前GaN改善性能並降低成本的趨勢應當會持續一段時間。

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