氮化鎵(GaN)功率半導(dǎo)體技術(shù)為提高RF/微波功率放大的性能水平作出了巨大貢獻(xiàn)。 通過(guò)降低器件的寄生參數(shù)，以及采用更短的柵極長(zhǎng)度和更高的工作電壓，GaN晶體管已實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率密度、更寬的帶寬和更好的DC轉(zhuǎn)RF效率。 例如，在2014年，能支持8kW脈沖輸出功率的GaN工藝的X波段放大器已被驗(yàn)證能在雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用中替代行波管(TWT)和TWT放大器。到2016年，預(yù)計(jì)會(huì)有很多這種支持32kW的固態(tài)GaN工藝的共V領(lǐng)放大器出現(xiàn)。在期待這些放大器的同時(shí)，我們將考察高功率GaN放大器的一些主要特征和特性。

不久前，GaN還是反射頻電子戰(zhàn)(CREW)應(yīng)用的首選技術(shù)，已有成千上萬(wàn)的放大器交付實(shí)際使用。 現(xiàn)在，該技術(shù)也被部署到機(jī)載電子戰(zhàn)領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)中的放大器能夠在RF/微波范圍的多個(gè)頻帶上提供數(shù)百瓦的輸出功率。多款此系列的寬帶電子戰(zhàn)功率放大器將會(huì)在今年發(fā)布。

后續(xù)研究方面包括改進(jìn)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(tǒng)采用，包括通用數(shù)據(jù)鏈(CDL)、寬帶網(wǎng)絡(luò)波形(WNW)、軍用無(wú)線電波形(SRW)和寬帶衛(wèi)星通信(satcom)應(yīng)用。 ADI公司的“比特轉(zhuǎn)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)。 通過(guò)使用預(yù)失真和包絡(luò)調(diào)制等技術(shù)，這種整合將有利于提高PA線性度和效率。

過(guò)去幾年發(fā)布的GaN器件既有分立式場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，也有單芯片微波集成電路(MMIC)，它們已廣泛用于高功率微波放大器系統(tǒng)。 此類器件有多家晶圓廠和器件制造商可以提供，通常采用100 mm碳化硅(SiC)晶圓制造。 硅上氮化鎵工藝也在考慮當(dāng)中，但硅的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率相對(duì)較差，抵消了其在高性能、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，支持在毫米波頻段工作。 在許多高頻應(yīng)用以及所有低頻應(yīng)用(除對(duì)成本最為敏感的應(yīng)用之外)中，基于GaN的器件已經(jīng)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。

RF功率放大器設(shè)計(jì)人員關(guān)注GaN器件，因?yàn)樗鼈冎С址浅８叩墓ぷ麟妷?比GaAs高三到五倍)，并且每單位FET柵極寬度容許的電流大致是GaAs器件的兩倍。 這些特性對(duì)PA設(shè)計(jì)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(fù)載阻抗。 以前基于GaAs或LDMOS的設(shè)計(jì)的輸出阻抗常常極其低(相對(duì)于50 Ω或75 Ω的典型系統(tǒng)阻抗而言)。 低器件阻抗會(huì)限制可實(shí)現(xiàn)的帶寬，也就是說(shuō)，隨著放大器件與其負(fù)載之間的阻抗轉(zhuǎn)換比要求提高，元件數(shù)和插入損耗也會(huì)增加。 由于這種高阻抗，此類器件的早期使用者在某些情況下僅將一個(gè)器件安裝在不匹配的測(cè)試夾具中，施加直流偏置，并用RF/微波測(cè)試信號(hào)驅(qū)動(dòng)該器件，便取得了部分成果。

由于這些工作特性及其異常高的可靠性，GaN器件也適用于高可靠性空間應(yīng)用。 多家器件供應(yīng)商在225°C或更高的結(jié)溫下進(jìn)行了壽命測(cè)試，結(jié)果表明單個(gè)器件的平均失效前時(shí)間(MTTF)超過(guò)一百萬(wàn)小時(shí)。 如此高的可靠性主要是因?yàn)镚aN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(yīng)用。

擴(kuò)大GaN在高功率應(yīng)用中的使用的主要障礙是其制造成本相對(duì)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(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施和消費(fèi)者手持設(shè)備等成本敏感型應(yīng)用中的使用。 現(xiàn)在有了硅上氮化鎵工藝，雖然存在上面提到的性能問(wèn)題，但這種工藝生產(chǎn)的器件可能最適合成本敏感型應(yīng)用。 在不久的將來(lái)，隨著GaN器件制造轉(zhuǎn)向更大尺寸的晶圓(直徑150 mm及更大，目前有多家領(lǐng)先的GaN器件代工廠正在開(kāi)發(fā))，成本有望降低50%左右。

2 GaN功率放大技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)評(píng)測(cè)

目前部署的用于天氣預(yù)報(bào)和目標(biāo)捕獲/識(shí)別的雷達(dá)系統(tǒng)，依賴于工作在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(yùn)行，容易因?yàn)闆_擊和振動(dòng)過(guò)大而受損。 這些TWT放大器的現(xiàn)場(chǎng)可靠性通常只有1200到1500小時(shí)，導(dǎo)致維護(hù)和備件成本很高。

作為高功率TWT放大器的替代產(chǎn)品，ADI公司基于GaN技術(shù)開(kāi)發(fā)了一款8 kW固態(tài)X波段功率放大器。 該設(shè)計(jì)采用創(chuàng)新的分層合并方法，將256個(gè)MMIC的RF/微波輸出功率加總，各MMIC產(chǎn)生大約35 W的輸出功率。 當(dāng)個(gè)別MMIC發(fā)生故障時(shí)，這種合并方法保證輸出性能不會(huì)急劇降低。 TWT放大器則不是如此，由于其冗余性較低，單一故障往往會(huì)導(dǎo)致器件發(fā)生災(zāi)難性故障。 對(duì)于這種固態(tài)GaN功率放大器，RF/微波合并架構(gòu)必須在MMIC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式，包括4個(gè)2 kW放大器組件，其輸出功率利用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)加以合并(圖1)。 該放大器可以安裝在標(biāo)準(zhǔn)19英寸機(jī)殼中。 該放大器的當(dāng)前設(shè)計(jì)(圖2)采用水冷，其他采用空冷的版本正在開(kāi)發(fā)當(dāng)中。 表1給出了水冷8 kW GaN PA的性能摘要。

圖1. 基于GaN的固態(tài)功率放大器能夠在X波段提供8kW輸出功率

表1. 8 kW PA典型性能

8 kW SSPA支持將多個(gè)模塊式SSPA合并以產(chǎn)生更高的功率水平。 目前正在開(kāi)發(fā)含有三個(gè)這樣的8 kW SSPA模塊的放大器，其在相同頻率范圍上可實(shí)現(xiàn)24 kW的峰值輸出功率水平。 其他實(shí)現(xiàn)32 kW功率水平的配置也是可行的，目前正在考慮以供進(jìn)一步評(píng)估。

ADI公司當(dāng)前正在開(kāi)發(fā)一種高級(jí)功率模塊，也是基于GaN技術(shù)，其RF/微波輸出功率將是當(dāng)前模塊的兩倍。 該模塊采用密封設(shè)計(jì)，支持在極端環(huán)境下工作。 結(jié)合下一代合并結(jié)構(gòu)和更低的插入損耗(與當(dāng)前方法相比)，它將把RF/微波頻率的脈沖輸出功率提高到接近75 kW到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，支持故障監(jiān)控、內(nèi)置測(cè)試(BIT)功能、遠(yuǎn)程診斷測(cè)試以及對(duì)MMIC器件(為放大器供電)的快速實(shí)時(shí)偏置控制電路進(jìn)行控制。

此類GaN固態(tài)功率放大器旨在解決業(yè)界對(duì)寬瞬時(shí)帶寬、高輸出功率放大器的需求。 某些系統(tǒng)嘗試?yán)猛ǖ阑蚨鄠€(gè)放大器來(lái)滿足這些要求，每個(gè)放大器覆蓋所需頻譜的一部分并接入一個(gè)多路復(fù)用器。 這會(huì)提高成本和復(fù)雜性，并導(dǎo)致在多路復(fù)用器的頻率交越點(diǎn)處出現(xiàn)空隙。 更有效的替代解決方案是以更高的功率水平連續(xù)覆蓋寬頻率范圍，這已經(jīng)通過(guò)兩個(gè)不同的GaN放大器得到實(shí)現(xiàn)，一個(gè)放大器覆蓋VHF至L波段頻率，另一個(gè)覆蓋2 GHz至18 GHz。

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

針對(duì)VHF到S波段頻率，ADI公司開(kāi)發(fā)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范圍內(nèi)可提供50 W輸出功率。 在全頻率范圍內(nèi)，當(dāng)饋入0 dBm的標(biāo)稱輸入信號(hào)時(shí)，該放大器可實(shí)現(xiàn)46 dBm(典型值40 W)的輸出功率水平。

該放大器采用尺寸為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(guò)載保護(hù)及遙測(cè)報(bào)告，并集成DC-DC轉(zhuǎn)換器以實(shí)現(xiàn)最佳RF性能，輸入電源范圍是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(shí)測(cè)性能數(shù)據(jù)與頻率的關(guān)系如圖4所示。

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[!--empirenews.page--]

圖4. 50 W、115 MHz至2000 MHz功率放大器的輸出功率與頻率的關(guān)系

針對(duì)2 GHz以上的寬帶應(yīng)用，ADI公司也開(kāi)發(fā)了一款GaN放大器，其可在2 GHz到18 GHz頻段產(chǎn)生50 W連續(xù)波(CW)輸出功率。 這款放大器采用商用10 W GaN MMIC，其輸出功率貢獻(xiàn)通過(guò)寬帶低損耗功率合成器加以合并。 多個(gè)這樣的放大器也可以合并，以在同樣的2 GHz到18 GHz帶寬產(chǎn)生高達(dá)200 W的輸出功率。 驅(qū)動(dòng)放大器鏈也是基于有源GaN器件。 該放大器采用48 VDC供電，內(nèi)置穩(wěn)壓器和高速開(kāi)關(guān)電路，支持脈沖操作，具有良好的脈沖保真度和快速上升/下降時(shí)間。 表2列出的這款放大器的規(guī)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(shù)關(guān)系。

表2. 典型寬帶SSPA性能

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

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

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(kāi)發(fā)了一款12 W輸出功率的緊湊型臺(tái)式放大器(圖7)和一款100 W輸出功率的機(jī)架安裝單元(圖8)。 頻率范圍從2 GHz到6 GHz以及從6 GHz到18 GHz的其他放大器正在開(kāi)發(fā)中。 ADI公司還在努力將這些寬帶放大器的輸出功率從當(dāng)前水平提高到200 W及更高水平。 為了實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率水平，ADI公司正在開(kāi)發(fā)高輸出功率模塊和寬帶RF功率合成器，其合并效率將大為改善，損耗也低于當(dāng)前功率合成器。

圖7. 寬帶2 GHz至18 GHz功率放大器，在全頻率范圍產(chǎn)生12 W CW輸出功率

圖8. 2 GHz至18 GHz固態(tài)功率放大器，在全頻率范圍產(chǎn)生100 W CW輸出功率

以上是利用GaN固態(tài)放大器可實(shí)現(xiàn)的性能水平的幾個(gè)例子。 隨著更多GaN半導(dǎo)體供應(yīng)商轉(zhuǎn)向更大尺寸的晶圓，以及每片晶圓的良品率持續(xù)提高，將來(lái)此類放大器的單位成本有望降低。 隨著柵極長(zhǎng)度的縮短，基于GaN的SSPA將能支持更高的工作頻率，因此會(huì)有越來(lái)越多的GaN器件用于工作在毫米波頻率的系統(tǒng)。 顯而易見(jiàn)，當(dāng)前GaN改善性能并降低成本的趨勢(shì)應(yīng)當(dāng)會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。

作者簡(jiǎn)介

Walt DeMore于1983年獲得美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校電氣工程學(xué)士學(xué)位，于1987年獲得休斯飛機(jī)公司獎(jiǎng)學(xué)金計(jì)劃下的電氣工程碩士學(xué)位。 在休斯公司工作期間，他參與了多個(gè)國(guó)家安全項(xiàng)目，包括Milstar衛(wèi)星星座和寬帶全球衛(wèi)星系統(tǒng)。 他的貢獻(xiàn)包括微波模塊和MMIC開(kāi)發(fā)、相控陣子系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計(jì)、領(lǐng)導(dǎo)工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)等。 他還擁有5項(xiàng)美國(guó)專利。

2002年，Walt加入TRW，該公司后來(lái)被Northrop Grumman收購(gòu)，他在這家公司領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)發(fā)了工作在30 MHz到45 GHz范圍的高效率寬帶RF功率放大器，以及C、X和Ku波段SATCOM和地面通信終端。 Walt于2010年被評(píng)選為Northrop Grumman技術(shù)院士，以表彰其杰出的工作。

Walt目前擔(dān)任工程經(jīng)理，領(lǐng)導(dǎo)ADI公司位于美國(guó)加州圣迭戈的高功率子系統(tǒng)部門(mén)。 該部門(mén)專注于面向雷達(dá)和電子戰(zhàn)應(yīng)用的超高功率、寬帶固態(tài)功率放大器的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。