SMT晶體管（Qorvo的QPD1013）的GaN PA的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

氮化鎵技術(shù)的不斷進(jìn)步促使設(shè)備在更高的功率、電源電壓和頻率下工作。

如圖1所示， Qorvo的QPD1013晶體管采用0.50 μm GaN-on-SiC技術(shù)。它采用具有成本效益的6.6x7.2 mm DFN（雙邊扁平無引腳）封裝，與傳統(tǒng)的金屬陶瓷封裝相比，可以實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單的PCB組裝。

盡管Qorvo的GaN晶體管效率非常高，但考慮到高RF功率電平意味著即使是高效的PA，晶體管也將具有顯著功耗。由于晶體管是SMT組件，因此需要仔細(xì)設(shè)計(jì)PCB以優(yōu)化熱性能。已經(jīng)對(duì)兩種方法進(jìn)行了評(píng)估，并報(bào)告了兩者的結(jié)果。

第一種方法在晶體管的接地焊盤下使用覆銅孔陣列，第二種方法使用銅幣技術(shù)。銅幣是在制造期間嵌入到PCB中的一塊實(shí)心銅（通常稱為金屬塊），以允許從晶體管到安裝了PCB的載體的有效熱傳遞。許多PCB制造商都具有覆銅孔技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，但射頻頻率下的銅幣技術(shù)還未成熟。

晶體管測(cè)量

該設(shè)計(jì)使用以20mil厚度的Rogers RO4350組裝的樣品晶體管的大信號(hào)和小信號(hào)測(cè)量值。晶體管靜態(tài)偏置為65V，240mA。

圖 2 顯示了三個(gè)不同晶體管隨頻率變化的最大可用增益 （MAG），這清楚地表明非常好的單元間一致性。雖然QPD1013表現(xiàn)出的增益超過6GHz，但出于實(shí)用性考慮，它最適合在最高約3.5GHz下工作。

最大增益（3 臺(tái)設(shè)備）最大增益 （dB） 頻率 （GHz）

負(fù)載牽引測(cè)量值顯示，當(dāng)以10%的占空比和100 μs脈沖寬度工作時(shí)，晶體管可提供超過52dBm 160 W） 的RF輸出功率，效率約為70%。此負(fù)載牽引數(shù)據(jù)被用作PA大信號(hào)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

功率放大器設(shè)計(jì)

PA設(shè)計(jì)的起點(diǎn)是使晶體管在整個(gè)工作頻段內(nèi)無條件保持穩(wěn)定。必須首先確保帶內(nèi)的穩(wěn)定性，這通過在RF輸入端納入RC穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。串聯(lián)電阻消耗的功率對(duì)于傳統(tǒng)SMT組件來說過高，所以使用了來自IMS的高功率氮化鋁電阻。放大器需要在-40°C以下的所有頻率中無條件保持穩(wěn)定，以使放大器在較廣的溫度范圍內(nèi)工作。通過在偏置饋電點(diǎn)添加適當(dāng)?shù)腞C去耦 （可在設(shè)計(jì)過程中稍后添加），可以大大提高低頻段穩(wěn)定性。

由Qorvo提供的初始負(fù)載牽引數(shù)據(jù)用于確定1.2GHz至1.8GHz之間輸出功率和漏極效率的最佳負(fù)載阻抗。QPD1013在某些負(fù)載條件下可提供高達(dá)200W的功率，但還需要仔細(xì)考慮工作效率，以確保晶體管的工作溫度可以接受。選擇導(dǎo)致最高漏極效率的負(fù)載阻抗作為由輸出匹配網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)的目標(biāo)阻抗。相應(yīng)的RF輸出功率電平仍然很高，并且更高的效率確保了可接受的熱性能。

輸出匹配網(wǎng)絡(luò)利用帶通拓?fù)鋪頋M足目標(biāo)負(fù)載阻抗。高工作電壓和高RF功率電平對(duì)粗心的設(shè)計(jì)師構(gòu)成潛在陷阱。保持RF軌道足夠?qū)捯员苊庥捎诜浅８叩腞F功率電平引起的溫度過高和潛在破壞，這非常重要。必須仔細(xì)選擇匹配電容以具有足夠的擊穿電壓，從而承受具有足量Q的直流加RF電壓擺幅，以避免過多的功耗和效率降低。

使用Keysight Momentum對(duì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的金屬件進(jìn)行平面EM仿真，并結(jié)合O805 SMT組件的嵌入式高頻模型模擬多端口S參數(shù)塊。圖3 顯示了輸出匹配網(wǎng)絡(luò)電路的混合EM/原理圖。

模擬負(fù)載阻抗針對(duì)圖4中標(biāo)準(zhǔn)化為10 Ω的史密斯圓圖上的目標(biāo)進(jìn)行繪制。在提供的負(fù)載牽引輪廓（未示出）上覆蓋模擬負(fù)載曲線，表明將滿足目標(biāo)功率和效率值。

S（3，3） QPD1013_Opt_Zload_v1..S（1，1）

頻率（1.200GHz 至 1.9000GHz）

輸出網(wǎng)絡(luò)的模擬插入損耗如圖 5 所示。

輸出匹配網(wǎng)絡(luò)損耗來自PCB介質(zhì)中的傳輸線損耗和SMT組件損耗。在這些輸出功率電平下，即使是零點(diǎn)幾dB的損耗也將達(dá)到幾瓦特的耗散功率，這顯著降低了總體PA效率。

圖6 EM模擬輸入匹配

輸入匹配網(wǎng)絡(luò)采用低通架構(gòu)。IMS氮化鋁電阻用于柵極穩(wěn)定性網(wǎng)絡(luò)。這些可以消耗幾瓦的功率，這使得PA能夠承受在P-3dB壓縮下操作PA所需的10至20W的高輸入驅(qū)動(dòng)電平。圖6顯示了輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，其模擬方式與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)相同。

可以看出，輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的布局都包括感應(yīng)回路和焊盤，以便在制造后調(diào)整PA性能。最后，這些都是不需要的，而唯一的制造后修改是對(duì)電容值的小改動(dòng)。

PA的模擬小信號(hào)性能如圖7所示。說明了寬帶寬和平坦增益與頻率響應(yīng)。