電信行業(yè)不斷需要更高的數(shù)據(jù)速率，工業(yè)系統(tǒng)不斷需要更高的分辨率，這助推了滿足這些需求的電子設(shè)備工作頻率的不斷上升。許多系統(tǒng)可以在較寬的頻譜中工作，新設(shè)計(jì)通常也會(huì)有進(jìn)一步增加帶寬的要求。在許多這樣的系統(tǒng)中，人們傾向于使用一個(gè)涵蓋所有頻帶的信號(hào)鏈。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步使高功率寬帶放大器功能突飛猛進(jìn)。GaN革命席卷了整個(gè)行業(yè)，并且可以讓MMIC在幾十種帶寬下生成1 W以上的功率，因此，這個(gè)過去由行波管主導(dǎo)的領(lǐng)域已經(jīng)開始讓步于半導(dǎo)體設(shè)備。更短?hào)艠O長(zhǎng)度的GaAs和GaN晶體管的出現(xiàn)以及電路設(shè)計(jì)技術(shù)的升級(jí)，衍生了一些可以輕松操作毫米波頻率的新設(shè)備，開啟了幾十年前難以想象的新應(yīng)用。本文將簡(jiǎn)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，還列舉了展現(xiàn)當(dāng)今技術(shù)的GaAs和GaN寬帶功率放大器(PA)。
過去幾年，行波管(TWT)放大器一直將更高功率電子設(shè)備作為許多這類系統(tǒng)中的輸出功率放大器級(jí)。TWT擁有一些不錯(cuò)的特性，包括千瓦級(jí)功率、倍頻程帶寬或者甚至多倍頻程帶寬操作、高效回退操作以及良好的溫度穩(wěn)定性。TWT也有一些缺陷，其中包括較差的長(zhǎng)期可靠性、較低效率，并且需要非常高的電壓（大約1 kV或以上）才能工作。關(guān)于半導(dǎo)體IC的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，這些年電子設(shè)備一直向前發(fā)展，首當(dāng)其沖的就是GaAs。在可能的情況下，許多系統(tǒng)工程師一直努力組合多個(gè)GaAs IC，生成大輸出功率。整個(gè)公司都完全建立在技術(shù)組合和有效實(shí)施的基礎(chǔ)之上。進(jìn)而孕育了許多不同類型的組合技術(shù)，如空間組合、企業(yè)組合等。這些組合技術(shù)全都面臨著相同的命運(yùn)——組合造成了損耗，幸運(yùn)的是，并不一定要使用這些組合技術(shù)。這激勵(lì)我們使用高功率電子設(shè)備開始設(shè)計(jì)。提高功率放大器RF功率的最簡(jiǎn)單的方式就是增加電壓，這讓氮化鎵晶體管技術(shù)極具吸引力。如果我們對(duì)比不同半導(dǎo)體工藝技術(shù)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)功率通常會(huì)如何隨著高工作電壓IC技術(shù)而提高。硅鍺(SiGe)技術(shù)采用相對(duì)較低的工作電壓（2V至3V），但其集成優(yōu)勢(shì)非常有吸引力。GaAs擁有微波頻率和5 V至7 V的工作電壓，多年來(lái)一直廣泛應(yīng)用于功率放大器。硅基LDMOS技術(shù)的工作電壓為28 V，已經(jīng)在
電信領(lǐng)域使用了許多年，但其主要在4GHz以下頻率發(fā)揮作用，因此在寬帶應(yīng)用中的使用并不廣泛。新興GaN技術(shù)的工作電壓為28V至50V，擁有低損耗、高熱傳導(dǎo)基板（如碳化硅，SiC），開啟了一系列全新的可能應(yīng)用。如今，硅基GaN技術(shù)局限于6 GHz以下工作頻率。硅基板相關(guān)的RF損耗及其相對(duì)SiC的較低熱傳導(dǎo)性能則抵消了增益、效率和隨頻率增加的功率優(yōu)勢(shì)。圖1對(duì)比了不同半導(dǎo)體技術(shù)并顯示了其相互比較情況。
圖1. 微波頻率范圍功率電子設(shè)備的工藝技術(shù)對(duì)比。
圖2. 多級(jí)GaAs功率放大器和等效GaN功率放大器的比較。
蘭格耦合器
實(shí)現(xiàn)寬帶寬設(shè)計(jì)的一種方法就是在RF輸入和輸出端使用蘭格耦合器實(shí)現(xiàn)均衡設(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)檫@將更容易優(yōu)化增益和頻率功率響應(yīng)，并且無(wú)需優(yōu)化回波損耗。即便是在使用蘭格耦合器的情況下，也更難實(shí)現(xiàn)倍頻程帶寬，但卻可以讓設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不錯(cuò)的回波損耗。
圖3. 采用蘭格耦合器的均衡放大器。
分布式放大器
另一個(gè)要考慮的拓?fù)渚褪欠植际焦β史糯笃鳎鐖D4所示。分布式功率放大器的優(yōu)勢(shì)可通過在設(shè)備間的匹配網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用晶體管的寄生效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)備的輸入和輸出電容可以分別與柵極和漏極線路電感合并，讓傳輸線路變得幾乎透明，傳輸線路損耗除外。這樣，放大器的增益應(yīng)該僅受限于設(shè)備的跨導(dǎo)性，而非設(shè)備相關(guān)的電容寄生性能。僅當(dāng)沿柵極線路向下傳輸?shù)男盘?hào)與沿漏極線路向下傳輸?shù)男盘?hào)同相時(shí)，才會(huì)發(fā)生這種情況。因此，每個(gè)晶體管的輸出電壓將與之前的晶體管輸出同相。向輸出端傳輸?shù)男盘?hào)將會(huì)積極干擾，因此，信號(hào)會(huì)隨著漏極線路而增強(qiáng)。任何反向波都會(huì)肆意干擾信號(hào)，因?yàn)檫@些信號(hào)不會(huì)同相。其中包含柵極線路端電極，可吸收任何未耦合至晶體管柵極的信號(hào)。還包含漏極線路端電極，可吸收任何可能肆意干擾輸出信號(hào)并改善低頻率下回波損耗的反向行波。因此，在幾十種帶寬下都可實(shí)現(xiàn)從kHz到GHz級(jí)的頻率。當(dāng)需要多個(gè)倍頻程帶寬時(shí)，這種拓?fù)渚蜁?huì)變得非常受歡迎，并且還帶來(lái)了幾個(gè)不錯(cuò)的優(yōu)勢(shì)，如平穩(wěn)增益、良好的回波損耗、高功率等。圖4顯示了分布式放大器的一個(gè)例證。
圖4. 分布式放大器的簡(jiǎn)化框圖。
在這里，分布式放大器面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)就是，功率功能由設(shè)備所使用的電壓決定。由于不存在窄帶調(diào)節(jié)功能，所以您可以實(shí)質(zhì)上向晶體管提供50 Ω或接近于50 Ω的電阻。在等式1中，PA的平均功率、RL或最佳負(fù)載電阻實(shí)質(zhì)上將變成50 Ω。因此，可實(shí)現(xiàn)的輸出功率由施加到放大器的電壓設(shè)定，所以，如果我們想要增加輸出功率，就需要增加施加到放大器的電壓。
關(guān)于提供最佳功率、效率和帶寬的權(quán)衡，我們已經(jīng)說(shuō)明了各種不同的技巧和半導(dǎo)體技術(shù)。每一種不同拓?fù)浜图夹g(shù)都有可能在半導(dǎo)體
市場(chǎng)占據(jù)一席之地，這是因?yàn)樗鼈兠恳粋€(gè)都有優(yōu)勢(shì)，這也是它們能夠在當(dāng)前生存的原因所在。這里，我們將關(guān)注幾個(gè)值得信賴的結(jié)果，展現(xiàn)這些當(dāng)前技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高功率、效率和帶寬時(shí)的可能性。
我們?cè)賮?lái)了解一下基于GaN技術(shù)可以做些什么。ADI公司推出了一款標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品HMC8205BF10，它基于GaN技術(shù)，具有高功率、高效率 和寬帶寬。該產(chǎn)品的工作
電源電壓為50 V，在35%的典型頻率下可提供35 W RF功率，帶20 dB左右的功率增益，覆蓋幾十種帶寬。這種情況下，相比類似的GaAs方案，我們只需要一個(gè)IC就能提供高出約10倍的功率。在過去數(shù)年，這可能需要復(fù)雜的GaAs芯片組合方案，并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)相同的效率。該產(chǎn)品展示了使用GaN技術(shù)的各種可能性，包括覆蓋寬帶寬，提供高功率和高效率，如圖6所示。這還展現(xiàn)了高功率電子設(shè)備封裝技術(shù)的發(fā)展歷程，因?yàn)檫@個(gè)采用法蘭封裝的器件能夠支持許多軍事應(yīng)用所需的連續(xù)波(CW)信號(hào)。
圖6. HMC8205BF10功率增益、PSAT以及PAE和頻率的關(guān)系。
總結(jié)
GaN等全新半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)開啟了實(shí)現(xiàn)覆蓋寬帶寬的更高功率水平的可能性。較短的柵極長(zhǎng)度GaAs設(shè)備的頻率范圍已經(jīng)從20 GHz擴(kuò)展到了40 GHz及以上。這些器件的可靠性幾乎已經(jīng)超過了100萬(wàn)小時(shí)，普遍應(yīng)用于當(dāng)今的電子設(shè)備系統(tǒng)中。未來(lái)，我們預(yù)計(jì)會(huì)持續(xù)向更高頻率和更寬帶寬發(fā)展。
