在電信行業(yè)，基站的工作頻率為450 MHz至3.5 GHz左右，并且隨著(zhù)更高帶寬的需求增長(cháng)而持續增加。衛星通信系統的工作頻率主要為C-波段至Ka-波段。用于測量這些不同電子設備的儀器儀表需要能在所有這些必要的頻率下工作，才能得到國際認可。因此，系統工程師需要努力嘗試設計一些能夠覆蓋整個(gè)頻率范圍的電子設備。想到可以使用單個(gè)信號鏈覆蓋整個(gè)頻率范圍，大多數系統工程師和采購人員都會(huì )非常興奮。用單個(gè)信號鏈覆蓋整個(gè)頻率范圍將會(huì )帶來(lái)許多優(yōu)勢，其中包括簡(jiǎn)化設計、加速上市時(shí)間、減少要管理的器件庫存等。單信號鏈方案的挑戰始終繞不開(kāi)寬帶解決方案相對窄帶解決方案的性能衰減。挑戰的核心在于功率放大器，對于窄帶寬其具有一流的功率和效率性能。

 

 

過(guò)去幾年，行波管(TWT)放大器一直將更高功率電子設備作為許多這類(lèi)系統中的輸出功率放大器級。TWT擁有一些不錯的特性，包括千瓦級功率、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定性。TWT也有一些缺陷，其中包括較差的長(cháng)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)于半導體IC的長(cháng)期穩定性，這些年電子設備一直向前發(fā)展，首當其沖的就是GaAs。在可能的情況下，許多系統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)施的基礎之上。進(jìn)而孕育了許多不同類(lèi)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(zhù)相同的命運——組合造成了損耗，幸運的是，并不一定要使用這些組合技術(shù)。這激勵我們使用高功率電子設備開(kāi)始設計。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。如果我們對比不同半導體工藝技術(shù)，就會(huì )發(fā)現功率通常會(huì )如何隨著(zhù)高工作電壓IC技術(shù)而提高。硅鍺(SiGe)技術(shù)采用相對較低的工作電壓（2 V至3 V），但其集成優(yōu)勢非常有吸引力。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4 GHz以下頻率發(fā)揮作用，因此在寬帶應用中的使用并不廣泛。新興GaN技術(shù)的工作電壓為28 V至50 V，擁有低損耗、高熱傳導基板（如碳化硅，SiC），開(kāi)啟了一系列全新的可能應用。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SiC的較低熱傳導性能則抵消了增益、效率和隨頻率增加的功率優(yōu)勢。圖1對比了不同半導體技術(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備的工藝技術(shù)對比

 

GaN技術(shù)的出現讓業(yè)界放棄TWT放大器，轉而使用GaN放大器作為許多系統的輸出級。這些系統中的驅動(dòng)放大器仍然主要使用GaAs，這是因為這種技術(shù)已經(jīng)大量部署并且始終在改進(jìn)。下一步，我們將尋求如何使用電路設計，從這些寬帶功率放大器中提取較大功率、帶寬和效率。當然，相比基于GaAs的設計，基于GaN的設計能夠提供更高的輸出功率，并且其設計考慮因素在很大程度上是相同的。

 

 

選擇如何開(kāi)始設計以?xún)?yōu)化功率、效率及帶寬時(shí)，IC設計師可以使用不同拓撲及設計考慮因素。最常見(jiàn)的單塊放大器設計類(lèi)型就是一種多級、共源、基于晶體管的設計，也稱(chēng)作級聯(lián)放大器設計。這里，增益放大器會(huì )從每一級增加，從而實(shí)現高增益，并允許我們增加輸出晶體管大小，以增加RF功率。GaN在這里提供了一些優(yōu)勢，因為我們能夠大幅簡(jiǎn)化輸出合成器、減少損耗，因而可以提高效率，減小芯片尺寸，如圖2所示。

 

圖2. 多級GaAs功率放大器和等效GaN功率放大器的比較

 

因此，我們能夠實(shí)現更寬帶寬并提高性能。從GaAs轉向GaN設備的一個(gè)不太明顯的優(yōu)勢就是，能夠實(shí)現給定RF功率水平，可能是4 W。晶體管尺寸將會(huì )更小，從而實(shí)現更高的每級增益。這將帶來(lái)更少的設計級，最終實(shí)現更高效率。這些級聯(lián)放大器技術(shù)的挑戰在于，在不顯著(zhù)降低功率和效率，甚至在不借助GaN技術(shù)的情況下，很難實(shí)現倍頻程帶寬。

 

 

實(shí)現寬帶寬設計的一種方法就是在RF輸入和輸出端使用蘭格耦合器實(shí)現均衡設計，如圖3所示。

 

圖3. 采用蘭格耦合器的均衡放大器

 

這里的回波損耗最終取決于耦合器設計，因為這將更容易優(yōu)化增益和頻率功率響應，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)現倍頻程帶寬，但卻可以讓設計實(shí)現不錯的回波損耗。

 

 

另一個(gè)要考慮的拓撲就是分布式功率放大器，如圖4所示。分布式功率放大器的優(yōu)勢可通過(guò)在設備間的匹配網(wǎng)絡(luò )中應用晶體管的寄生效應來(lái)實(shí)現。設備的輸入和輸出電容可以分別與柵極和漏極線(xiàn)路電感合并，讓傳輸線(xiàn)路變得幾乎透明，傳輸線(xiàn)路損耗除外。這樣，放大器的增益應該僅受限于設備的跨導性，而非設備相關(guān)的電容寄生性能。僅當沿柵極線(xiàn)路向下傳輸的信號與沿漏極線(xiàn)路向下傳輸的信號同相時(shí)，才會(huì )發(fā)生這種情況。

 

圖4. 分布式放大器的簡(jiǎn)化框圖

 

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。向輸出端傳輸的信號將會(huì )積極干擾，因此，信號會(huì )隨著(zhù)漏極線(xiàn)路而增強。任何反向波都會(huì )肆意干擾信號，因為這些信號不會(huì )同相。其中包含柵極線(xiàn)路端電極，可吸收任何未耦合至晶體管柵極的信號。還包含漏極線(xiàn)路端電極，可吸收任何可能肆意干擾輸出信號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)現從kHz到GHz級的頻率。當需要多個(gè)倍頻程帶寬時(shí)，這種拓撲就會(huì )變得非常受歡迎，并且還帶來(lái)了幾個(gè)不錯的優(yōu)勢，如平穩增益、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。

 

在這里，分布式放大器面臨的一個(gè)挑戰就是，功率功能由設備所使用的電壓決定。由于不存在窄帶調節功能，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或最佳負載電阻實(shí)質(zhì)上將變成50 Ω。因此，可實(shí)現的輸出功率由施加到放大器的電壓設定，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。

 

 

這就是GaN的作用所在，我們可以迅速將帶GaAs的5 V電源電壓轉變成GaN中的28 V電源電壓，并且只需將GaAs轉變成GaN技術(shù)，即可將可實(shí)現的功率從0.25 W轉變成8 W左右。還要考慮一些其他因素，如GaN中可用工藝的柵極長(cháng)度，以及它們能否在高頻率帶端實(shí)現所需的增益。隨著(zhù)時(shí)間發(fā)展，將會(huì )出現更多的GaN工藝。

 

級聯(lián)放大器需要通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò )來(lái)優(yōu)化放大器功率，以此改變晶體管電阻值，相比之下，分布式放大器的50 Ω固定RL有所不同。利用級聯(lián)放大器優(yōu)化晶體管電阻值時(shí)存在一個(gè)優(yōu)勢，就是能提高RF功率。理論上，我們可以繼續增加晶體管外設尺寸，從而繼續提高RF功率，但這存在一些實(shí)際限制，如復雜性、芯片支持和合并損耗。匹配網(wǎng)絡(luò )也會(huì )限制帶寬，因為它們很難在廣泛的頻率范圍中提供最佳阻抗。分布式功率放大器中只有傳輸線(xiàn)路，其目的是讓信號積極干擾放大器，并沒(méi)有匹配網(wǎng)絡(luò )。還有一些技術(shù)可以進(jìn)一步提高分布式放大器的功率，如使用共射共基放大器拓撲來(lái)進(jìn)一步增加放大器的電源電壓。

 

 

關(guān)于提供最佳功率、效率和帶寬的權衡，我們已經(jīng)說(shuō)明了各種不同的技巧和半導體技術(shù)。每一種不同拓撲和技術(shù)都有可能在半導體市場(chǎng)占據一席之地，這是因為它們每一個(gè)都有優(yōu)勢，這也是它們能夠在當前生存的原因所在。這里，我們將關(guān)注幾個(gè)值得信賴(lài)的結果，展現這些當前技術(shù)在實(shí)現高功率、效率和帶寬時(shí)的可能性。

 

 

ADI公司基于GaAs的分布式功率放大器產(chǎn)品HMC994A，工作頻率范圍為直流至30 GHz。該器件非常有意思，因為它覆蓋了幾十種帶寬、許多不同應用，并且可實(shí)現高功率和效率。其性能如圖5所示。在這里，我們看到它是覆蓋MHz至30 GHz、功率附加效率(PAE)典型值為25%的飽和輸出功率大于1瓦的器件。這款產(chǎn)品還擁有標準值為38 dBm的強大的三階交調截點(diǎn)(TOI)性能。結果顯示，利用基于GaAs的設計，我們能夠實(shí)現接近于許多窄帶功率放大器設計的效率。HMC994A擁有正向頻率增益斜率、高PAE寬帶功率性能和強大的回波損耗，是一款非常有趣的產(chǎn)品。

 

圖5. HMC994A增益、功率以及PAE和頻率的關(guān)系

 

我們再來(lái)了解一下基于GaN技術(shù)可以做些什么。ADI公司推出了一款標準產(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(lèi)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(guò)去數年，這可能需要復雜的GaAs芯片組合方案，并且無(wú)法實(shí)現相同的效率。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。這還展現了高功率電子設備封裝技術(shù)的發(fā)展歷程，因為這個(gè)采用法蘭封裝的器件能夠支持許多軍事應用所需的連續波(CW)信號。

 

圖6. HMC8205BF10功率增益、PSAT以及PAE和頻率的關(guān)系

 

 

GaN等全新半導體材料的出現開(kāi)啟了實(shí)現覆蓋寬帶寬的更高功率水平的可能性。較短的柵極長(cháng)度GaAs設備的頻率范圍已經(jīng)從20 GHz擴展到了40 GHz及以上。這些器件的可靠性幾乎已經(jīng)超過(guò)了100萬(wàn)小時(shí)，普遍應用于當今的電子設備系統中。未來(lái)，我們預計會(huì )持續向更高頻率和更寬帶寬發(fā)展。