測(cè)量氮化鎵功率放大的狀態(tài)

GaN功率半導(dǎo)體技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)的改進(jìn)使微波頻率的高功率連續(xù)波（CW）和脈沖放大器成為可能。

氮化鎵（GaN）功率半導(dǎo)體技術(shù)為提高射頻/微波功率放大的性能水平做出了巨大貢獻(xiàn)。通過(guò)減少器件的寄生元件、使用更短的柵極長(zhǎng)度和使用更高的工作電壓，GaN晶體管達(dá)到了更高的輸出功率密度、更寬的帶寬和更高的DC-RF效率。例如，到2014年，基于GaN的X波段放大器能夠產(chǎn)生8 kW脈沖輸出功率，被證明可用于雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用，作為行波管（TWT）器件和TWT放大器的替代品。到2016年，這些固態(tài)GaN功率放大器預(yù)計(jì)將有32 kW的變體。鑒于這些放大器的可用性，將回顧這些高功率GaN放大器的一些關(guān)鍵特性和特性。

最近，GaN一直是反射頻電子戰(zhàn)（CREW）應(yīng)用的首選技術(shù)，提供了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的放大器供現(xiàn)場(chǎng)使用。該技術(shù)現(xiàn)在也部署在機(jī)載電子戰(zhàn)領(lǐng)域，正在開(kāi)發(fā)的放大器能夠在射頻/微波范圍內(nèi)的多個(gè)倍頻程上提供數(shù)百瓦的輸出功率。這些寬帶電子戰(zhàn)功率放大器的幾種變體將于本日歷年發(fā)布。

需要進(jìn)一步研究的領(lǐng)域包括改進(jìn)許多軍事通信系統(tǒng)中使用的高峰平均功率比（PAPR）波形的線(xiàn)性度，包括通用數(shù)據(jù)鏈路（CDL），寬帶網(wǎng)絡(luò)波形（WNW），士兵無(wú)線(xiàn)電波形（SRW）和寬帶衛(wèi)星通信（SATCOM）應(yīng)用。ADI公司的“比特到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(shì)。這種集成將通過(guò)使用預(yù)失真和包絡(luò)調(diào)制等技術(shù)來(lái)提高PA線(xiàn)性度和效率。

在過(guò)去幾年中，基于GaN的器件，包括分立場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）和單片微波集成電路（MMIC），已經(jīng)發(fā)布并廣泛用于高功率微波放大器系統(tǒng)。這些器件可從多個(gè)代工廠(chǎng)來(lái)源和設(shè)備制造商處獲得，通常在 100 mm 碳化硅 （SiC） 晶圓上制造。硅上的氮化鎵工藝也在考慮之中;然而，硅相對(duì)較差的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性抵消了高性能、高可靠性應(yīng)用中的成本優(yōu)勢(shì)。這些器件的柵極長(zhǎng)度小至 0.2 μm，支持在毫米波頻段內(nèi)工作。在許多高頻應(yīng)用中，基于GaN的器件已在很大程度上取代了砷化鎵（GaAs）和硅橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（LDMOS）器件，除了成本最敏感的低頻應(yīng)用。

GaN 器件是射頻功率放大器設(shè)計(jì)人員感興趣的，因?yàn)樗鼈冎С址浅８叩墓ぷ麟妷海ū?GaAs 器件高 3 到 5 倍），并且每單位 FET 柵極寬度的允許電流大約是砷化鎵器件的兩倍。這些特性對(duì)PA設(shè)計(jì)人員具有重要影響，特別是在給定輸出功率水平下具有更高的負(fù)載阻抗。以前基于GaAs或LDMOS的設(shè)計(jì)通常具有相對(duì)于50 Ω或75 Ω的典型系統(tǒng)阻抗的極低輸出阻抗。低器件阻抗限制了可實(shí)現(xiàn)的帶寬，也就是說(shuō)，隨著放大器件與其負(fù)載之間所需的阻抗變換比增加，元件數(shù)量和插入損耗也會(huì)增加。由于這些高阻抗，這些器件的早期用戶(hù)在某些情況下只需在不匹配的測(cè)試夾具中安裝一個(gè)，施加直流偏置，并使用RF/微波測(cè)試信號(hào)驅(qū)動(dòng)器件，就可以獲得部分結(jié)果。

由于這些工作特性和出色的可靠性，GaN器件也正在進(jìn)入高可靠性空間應(yīng)用。來(lái)自這些器件多個(gè)來(lái)源的壽命測(cè)試數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，在結(jié)溫為 225°C 或更高的情況下，平均失效時(shí)間 （MTTF） 持續(xù)時(shí)間（單個(gè)器件）超過(guò) 100 萬(wàn)小時(shí)。這種出色的可靠性主要是由于GaN的高帶隙值（GaN為3.4，GaAs為1.4）。這使得它們非常適合高可靠性應(yīng)用。

GaN在高功率應(yīng)用中廣泛使用的主要障礙是其相對(duì)較高的制造成本 - 通常是GaAs的兩到三倍，是基于Si LDMOS的器件的五到七倍。這通常是在無(wú)線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施和消費(fèi)類(lèi)手機(jī)等成本敏感型應(yīng)用中使用的障礙。硅基底上的氮化鎵工藝是可用的，盡管存在前面提到的性能問(wèn)題，并且這些工藝的器件可能最適合這些成本敏感的應(yīng)用。在不久的將來(lái)，隨著氮化鎵器件制造轉(zhuǎn)向直徑為150毫米或更大的更大晶圓，預(yù)計(jì)成本將降低50%左右，目前在幾家領(lǐng)先的GaN器件代工廠(chǎng)進(jìn)行。

目前部署的用于天氣預(yù)報(bào)和目標(biāo)獲取/識(shí)別的雷達(dá)系統(tǒng)依賴(lài)于在C波段和X波段頻率下工作的基于TWT的功率放大器。放大器在高電源電壓（10 kV至100 kV）和溫度下運(yùn)行，容易受到過(guò)度沖擊和振動(dòng)的損壞。這些電子管放大器的現(xiàn)場(chǎng)可靠性通常為1200小時(shí)至1500小時(shí)，這導(dǎo)致維護(hù)和備件成本高昂。

作為這些基于TWT的高功率放大器的替代方案，ADI公司開(kāi)發(fā)了基于GaN技術(shù)的8 kW固態(tài)X波段功率放大器。該設(shè)計(jì)采用創(chuàng)新的分層合路器方法，將 256 個(gè) MMIC 的貢獻(xiàn)射頻/微波輸出功率相加，每個(gè) MMIC 產(chǎn)生約 35 W 的輸出功率。組合方法會(huì)導(dǎo)致在發(fā)生單個(gè) MMIC 故障時(shí)性能正常下降。這與TWT放大器形成鮮明對(duì)比，TWT放大器由于冗余水平低，往往會(huì)遭受災(zāi)難性的故障。對(duì)于這些固態(tài)GaN功率放大器，RF/微波組合架構(gòu)必須在MMIC之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化的，由四個(gè) 2 kW 放大器組件組成，其輸出功率采用波形導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)組合（圖 1）。放大器可以安裝在標(biāo)準(zhǔn)的 19“ 機(jī)架外殼中。放大器的當(dāng)前設(shè)計(jì)（圖2）配置為水冷，但使用風(fēng)冷的放大器變體正在開(kāi)發(fā)中。表 1 匯總了水冷 8 kW GaN PA 的性能水平。

圖1.基于 GaN 的固態(tài)功率放大器，能夠在 X 波段頻率下提供 8 kW 的輸出功率。

圖2.表示GaN、X波段固態(tài)功率放大器的結(jié)構(gòu)和組件的框圖。

表 1.典型的 8 kW PA 性能

8 kW SSPA的設(shè)計(jì)方式使這些模塊化SSPA可以組合在一起以產(chǎn)生更高的功率水平。目前正在開(kāi)發(fā)一種放大器，該放大器將結(jié)合其中三個(gè)8 kW SSPA模塊，以在相同頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)24 kW峰值輸出功率水平的單位。其他實(shí)現(xiàn)功率水平達(dá)到 32 kW 的配置是可行的，并且正在考慮進(jìn)一步評(píng)估。

ADI公司目前正在開(kāi)發(fā)一種基于GaN技術(shù)的先進(jìn)功率模塊，該模塊將使當(dāng)前模塊的RF/微波輸出功率翻倍。該模塊設(shè)計(jì)為密封，以支持在極端環(huán)境中的操作。這與插入損耗降低的下一代組合結(jié)構(gòu)（與當(dāng)前方法相比）一起，將在射頻/微波頻率下將脈沖輸出功率擴(kuò)展到接近75 kW至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，以實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)控、內(nèi)置測(cè)試（BIT）功能、遠(yuǎn)程診斷測(cè)試以及為放大器供電的MMIC器件的快速、實(shí)時(shí)偏置控制電路控制。

這些基于GaN的固態(tài)功率放大器滿(mǎn)足了業(yè)界對(duì)具有寬瞬時(shí)帶寬和高輸出功率水平的放大器的需求。一些系統(tǒng)試圖使用通道化或多個(gè)放大器來(lái)滿(mǎn)足這些要求，每個(gè)放大器覆蓋所需頻譜的一部分并為多路復(fù)用器供電。這導(dǎo)致成本和復(fù)雜性增加，并導(dǎo)致多路復(fù)用器頻率交越點(diǎn)的覆蓋差距。更有效的替代解決方案是在高功率水平下連續(xù)覆蓋寬頻率范圍，就像兩個(gè)不同的基于GaN的放大器一樣，覆蓋VHF到L波段頻率，以及2 GHz至18 GHz。

針對(duì)VHF至S波段頻率的應(yīng)用，ADI公司開(kāi)發(fā)了一種非常小、功能豐富的多倍頻程放大器，能夠在115 MHz至2000 MHz范圍內(nèi)提供50 W輸出功率。當(dāng)輸入標(biāo)稱(chēng)輸入信號(hào)為0 dBm時(shí)，該放大器在整個(gè)頻率范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)46 dBm（典型值為40 W）的輸出功率電平。

該放大器采用尺寸為 7.3“ × 3.6” × 1.4“ 的緊湊型外殼，包括用于熱和電流過(guò)載保護(hù)、遙測(cè)報(bào)告和集成 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的 BIT 功能，可在 26 V 輸入電源范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不折不扣的 RF 性能直流至 30 V直流.圖3提供了放大器的照片，以及圖4所示輸出功率與頻率的典型測(cè)量性能數(shù)據(jù)。

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

為了滿(mǎn)足2 GHz以上的寬帶應(yīng)用需求，ADI公司還開(kāi)發(fā)了一款GaN放大器，可在整個(gè)2 GHz至18 GHz頻段內(nèi)產(chǎn)生50 W連續(xù)波（CW）輸出功率。該放大器使用市售的10 W GaN MMIC，輸出功率貢獻(xiàn)通過(guò)寬帶、低損耗組合器電路求和。多個(gè)放大器可以依次組合，以在相同的2 GHz至18 GHz帶寬上產(chǎn)生高達(dá)200 W的輸出功率。驅(qū)動(dòng)放大器鏈也基于GaN有源器件。該放大器工作在 48 VDC 電壓下，具有內(nèi)部穩(wěn)壓器和高速開(kāi)關(guān)電路，可實(shí)現(xiàn)脈沖操作，具有良好的脈沖保真度和快速上升和下降時(shí)間。表2列出了該放大器的規(guī)格。圖5提供了放大器的照片，圖6顯示了放大器的輸出功率與2 GHz至18 GHz頻率的函數(shù)關(guān)系。

表 2.典型寬帶 SSPA 性能

圖5.放大器能夠承受 50 W 的 2 GHz 至 18 GHz 的 CW 輸出功率。

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

這款 50 W 放大器是覆蓋 2 GHz 至 18 GHz 頻段的放大器系列之一。ADI還開(kāi)發(fā)了一款輸出功率為12 W的緊湊型臺(tái)式放大器（圖7）和輸出功率為100 W的機(jī)架安裝單元（圖8）。其他頻率覆蓋范圍為2 GHz至6 GHz和6 GHz至18 GHz的放大器正在開(kāi)發(fā)中。ADI還致力于將這些寬帶放大器的輸出功率從目前的水平提高到200 W或更高的功率水平。為了實(shí)現(xiàn)這些更高的輸出功率水平，該公司正在開(kāi)發(fā)具有更高輸出功率的模塊，以及寬帶RF功率組合器，其組合效率大大提高，損耗比當(dāng)前的功率組合器更低。

圖7.寬帶 2 GHz 至 18 GHz 功率放大器，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)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，可在整個(gè)頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生 100 W CW 輸出功率。

這些是基于GaN的固態(tài)放大器可能達(dá)到的性能水平的幾個(gè)示例。隨著越來(lái)越多的GaN半導(dǎo)體供應(yīng)商轉(zhuǎn)向更大的晶圓尺寸，并繼續(xù)提高每個(gè)晶圓的器件產(chǎn)量，這些放大器的單位成本預(yù)計(jì)將在未來(lái)下降。隨著柵極長(zhǎng)度的減小，在毫米波頻率下運(yùn)行的系統(tǒng)將更多地使用GaN器件，從而使基于GaN的SSPA能夠?qū)崿F(xiàn)更高頻率的操作。很明顯，目前提高性能和降低成本的GaN趨勢(shì)應(yīng)該會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。

審核編輯：郭婷