1.前言
電信領(lǐng)域?qū)Ω邤?shù)據(jù)速率和工業(yè)系統(tǒng)更高分辨率的需求不斷增長，推動支持它們的電子設(shè)備的工作頻率更高。許多這些系統(tǒng)在很寬的頻譜上運行，進(jìn)一步增加帶寬要求是對新設(shè)計的普遍要求。在許多這些系統(tǒng)中，都在推動對所有頻段使用一個信號鏈。半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步帶來了高功率和寬帶放大器能力的突破。由于 GaN 革命席卷整個行業(yè)并使 MMIC 能夠在數(shù)十年的帶寬內(nèi)產(chǎn)生大于 1 W 的功率，因此曾經(jīng)由行波管主導(dǎo)的領(lǐng)域已經(jīng)開始讓位于半導(dǎo)體器件。隨著更短的柵極長度 GaAs 和 GaN 晶體管的面世，再加上改進(jìn)的電路設(shè)計技術(shù)，新的器件不斷涌現(xiàn)，它們可以在毫米波頻率下輕松運行，開啟了十年前難以想象的新應(yīng)用。本文將簡要描述支持這些發(fā)展的半導(dǎo)體技術(shù)的狀態(tài)、實現(xiàn)最佳性能的電路設(shè)計考慮因素，以及展示當(dāng)今技術(shù)的 GaAs 和 GaN 寬帶功率放大器 (PA) 的示例。
許多無線電子系統(tǒng)在很寬的頻率范圍內(nèi)工作。在軍事工業(yè)中，雷達(dá)頻段從幾百 MHz 到幾 GHz。需要在非常寬的帶寬上工作的電子戰(zhàn)和電子對抗系統(tǒng)。威脅可能來自各種頻率，例如 MHz 到 20 GHz，甚至現(xiàn)在更高的頻率。隨著更多電子產(chǎn)品在更高頻率下可用，對更高頻率電子戰(zhàn)系統(tǒng)的需求將激增。在電信領(lǐng)域，基站的工作頻率范圍為 450 MHz 至 ~3.5 GHz，并且隨著對更多帶寬的需求不斷增加，基站的頻率還在不斷增加。衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要從 C 波段到 Ka 波段運行。用于測量這些不同電子設(shè)備的儀器需要在所有要求的頻率范圍內(nèi)工作才能被普遍接受。其結(jié)果，系統(tǒng)工程師在嘗試設(shè)計電子設(shè)備以覆蓋整個頻率范圍時面臨挑戰(zhàn)?？紤]到讓一個信號鏈覆蓋整個頻率范圍的可能性，大多數(shù)系統(tǒng)工程師和采購人員都會非常興奮。讓一個信號鏈覆蓋整個頻率范圍有很多優(yōu)勢，包括更簡單的設(shè)計、更快的上市時間、更少的組件庫存管理等等。單一信號鏈方法的挑戰(zhàn)始終與寬帶解決方案與窄帶解決方案帶來的性能下降有關(guān)。這一挑戰(zhàn)的核心是功率放大器，當(dāng)在窄帶寬上調(diào)諧時，它通常在功率和效率方面具有卓越的性能。大多數(shù)系統(tǒng)工程師和采購人員都會非常興奮。讓一個信號鏈覆蓋整個頻率范圍有很多優(yōu)勢，包括更簡單的設(shè)計、更快的上市時間、更少的組件庫存管理等等。單一信號鏈方法的挑戰(zhàn)始終與寬帶解決方案與窄帶解決方案帶來的性能下降有關(guān)。這一挑戰(zhàn)的核心是功率放大器，當(dāng)在窄帶寬上調(diào)諧時，它通常在功率和效率方面具有卓越的性能。大多數(shù)系統(tǒng)工程師和采購人員都會非常興奮。讓一個信號鏈覆蓋整個頻率范圍有很多優(yōu)勢，包括更簡單的設(shè)計、更快的上市時間、更少的組件庫存管理等等。單一信號鏈方法的挑戰(zhàn)始終與寬帶解決方案與窄帶解決方案帶來的性能下降有關(guān)。這一挑戰(zhàn)的核心是功率放大器，當(dāng)在窄帶寬上調(diào)諧時，它通常在功率和效率方面具有卓越的性能。單一信號鏈方法的挑戰(zhàn)始終與寬帶解決方案與窄帶解決方案帶來的性能下降有關(guān)。這一挑戰(zhàn)的核心是功率放大器，當(dāng)在窄帶寬上調(diào)諧時，它通常在功率和效率方面具有卓越的性能。單一信號鏈方法的挑戰(zhàn)始終與寬帶解決方案與窄帶解決方案帶來的性能下降有關(guān)。這一挑戰(zhàn)的核心是功率放大器，當(dāng)在窄帶寬上調(diào)諧時，它通常在功率和效率方面具有卓越的性能。
半導(dǎo)體技術(shù)
在過去的幾年里，行波管 (TWT) 放大器在許多這些系統(tǒng)中作為輸出功率放大器級在高功率電子設(shè)備中占據(jù)主導(dǎo)地位。TWT 有一些不錯的屬性，包括 kWs 的功率能力、在八度音程甚至多個八度音程帶寬上運行、回退條件下的高效率以及良好的溫度穩(wěn)定性。TWT 有一些缺點，包括長期可靠性差、效率低以及需要非常高的工作電壓（~1 kV 或更高）。鑒于半導(dǎo)體 IC 的長期可靠性，從 GaAs 開始，多年來一直在推動這些電子產(chǎn)品。在可能的情況下，許多系統(tǒng)工程師已經(jīng)努力將多個 GaAs IC 組合起來以產(chǎn)生大的輸出功率。整個公司的創(chuàng)建完全基于結(jié)合技術(shù)并有效地進(jìn)行。組合技術(shù)有很多種，如空間組合、企業(yè)組合等，這些組合技術(shù)都遭遇同樣的命運—組合有損失，理想情況下，您不必使用這些組合技術(shù)。這促使我們使用高功率電子設(shè)備來開始設(shè)計。增加功率放大器射頻功率的最簡單方法是增加電壓，這使得氮化鎵晶體管技術(shù)如此具有吸引力。如果我們比較各種半導(dǎo)體工藝技術(shù)，我們可以看到功率通常如何隨著高工作電壓 IC 技術(shù)而增加。硅鍺 (SiGe) 技術(shù)使用 2 V 至 3 V 的相對較低的工作電壓，但因其集成優(yōu)勢而極具吸引力。GaAs 多年來一直廣泛用于微波頻率的功率放大器，工作電壓為 5 V 至 7 V。 工作電壓為 28 V 的硅 LDMOS 技術(shù)已在電信、但它主要在 4 GHz 以下有用，因此它在寬帶應(yīng)用中的應(yīng)用并不廣泛。在碳化硅 (SiC) 等低損耗、高導(dǎo)熱襯底上以 28 V 至 50 V 電壓運行的 GaN 技術(shù)的出現(xiàn)開辟了一系列新的可能性。今天，硅基氮化鎵技術(shù)僅限于在 6 GHz 以下運行。與硅襯底相關(guān)的射頻損耗及其與 SiC 相比較低的熱導(dǎo)率會隨著頻率的增加而影響增益、效率和功率。圖 1 顯示了各種半導(dǎo)體技術(shù)的比較以及它們之間的比較。碳化硅 (SiC) 等高導(dǎo)熱襯底開辟了一系列新的可能性。今天，硅基氮化鎵技術(shù)僅限于在 6 GHz 以下運行。與硅襯底相關(guān)的射頻損耗及其與 SiC 相比較低的熱導(dǎo)率會隨著頻率的增加而影響增益、效率和功率。圖 1 顯示了各種半導(dǎo)體技術(shù)的比較以及它們之間的比較。碳化硅 (SiC) 等高導(dǎo)熱襯底開辟了一系列新的可能性。今天，硅基氮化鎵技術(shù)僅限于在 6 GHz 以下運行。與硅襯底相關(guān)的射頻損耗及其與 SiC 相比較低的熱導(dǎo)率會隨著頻率的增加而影響增益、效率和功率。圖 1 顯示了各種半導(dǎo)體技術(shù)的比較以及它們之間的比較。
圖 1. 微波頻率范圍電力電子的工藝技術(shù)比較。
GaN 技術(shù)的出現(xiàn)推動了行業(yè)從 TWT 放大器轉(zhuǎn)向使用 GaN 放大器作為其中許多系統(tǒng)的輸出級。許多這些系統(tǒng)中的驅(qū)動放大器仍然通常是 GaAs，因為這種技術(shù)的大部分已經(jīng)存在并不斷改進(jìn)。接下來我們將看看如何使用電路設(shè)計從這些寬帶功率放大器中提取盡可能多的功率、帶寬和效率。當(dāng)然，基于 GaN 的設(shè)計能夠比基于 GaAs 的設(shè)計具有更高的輸出功率，并且設(shè)計考慮因素大致相同。
設(shè)計注意事項
在選擇如何開始設(shè)計以優(yōu)化功率、效率和帶寬時，IC 設(shè)計人員可以使用不同的拓?fù)浜驮O(shè)計考慮因素。最常見的單片放大器設(shè)計類型是多級、共源、基于晶體管的設(shè)計，也稱為級聯(lián)放大器設(shè)計。在這里，每一級的增益都成倍增加，從而導(dǎo)致高增益并允許我們增加輸出晶體管的尺寸以增加 RF 功率。GaN 在這里提供了好處，因為我們能夠大大簡化輸出組合器，減少損耗，從而提高效率，并縮小芯片尺寸，如圖 2 所示。因此，我們能夠?qū)崿F(xiàn)更寬的帶寬并提高表現(xiàn)。從 GaAs 轉(zhuǎn)向 GaN 器件的一個不太明顯的好處是實現(xiàn)給定的 RF 功率水平，可能是 4 W—晶體管尺寸將更小，從而導(dǎo)致每級更高的增益。它將導(dǎo)致每個設(shè)計的階段更少，并最終提高效率。這種級聯(lián)放大器技術(shù)的挑戰(zhàn)在于，即使在 GaN 技術(shù)的幫助下，也很難在不顯著降低功率和效率的情況下實現(xiàn)一個倍頻程以上的帶寬。
圖 2. 多級 GaAs PA 與等效 GaN PA 的比較。
蘭格耦合器
實現(xiàn)寬帶寬設(shè)計的一種方法是在 RF 輸入和輸出上使用蘭吉耦合器實現(xiàn)平衡設(shè)計，如圖 3 所示。這里的回波損耗最終取決于耦合器設(shè)計，因為優(yōu)化增益和功率變得更容易頻率響應(yīng)，而無需優(yōu)化回波損耗。即使使用蘭格耦合器，在一個倍頻程上實現(xiàn)帶寬也變得更加困難，但它們確實為設(shè)計提供了非常好的回波損耗。
圖 3. 使用蘭格耦合器的平衡放大器。
分布式放大器
下一個要考慮的拓?fù)涫菆D 4 中所示的分布式功率放大器。分布式功率放大器的好處是通過將晶體管的寄生效應(yīng)合并到設(shè)備之間的匹配網(wǎng)絡(luò)中來實現(xiàn)的。器件的輸入和輸出電容可以分別與柵極和漏極線電感結(jié)合，使傳輸線幾乎透明，不包括傳輸線損耗。通過這樣做，放大器的增益應(yīng)僅受器件的跨導(dǎo)限制，而不受與器件相關(guān)的電容寄生效應(yīng)的限制。只有當(dāng)沿柵極線傳輸?shù)男盘柵c沿漏極線傳輸?shù)男盘柾鄷r才會發(fā)生這種情況，因此每個晶體管的輸出電壓與之前的晶體管輸出同相。傳輸?shù)捷敵龆说男盘枌a(chǎn)生相長干擾，因此信號沿漏極線增長。任何反向波都會破壞性地干擾，因為這些信號不會同相。包括柵極線終端以吸收未耦合到晶體管柵極的任何信號。包括漏極線路終端以吸收任何可能破壞性干擾輸出信號并改善低頻回波損耗的反向行波。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)從 kHz 到許多 GHz 的數(shù)十倍帶寬。當(dāng)需要超過一個倍頻程的帶寬時，這種拓?fù)浜芰餍校⑶矣幸恍┎诲e的好處，例如增益平坦、良好的回波損耗、高功率等。分布式放大器的圖示如圖 4 所示。
圖 4. 分布式放大器的簡化框圖。
分布式放大器面臨的一個挑戰(zhàn)是功率能力由施加到設(shè)備上的電壓決定。由于沒有窄帶調(diào)諧能力，您實際上是為晶體管或接近晶體管提供 50 Ω 阻抗。當(dāng)我們考慮功率放大器的平均功率等式時，PA 的平均功率、R L或最佳負(fù)載電阻基本上變?yōu)?/span> 50 Ω。因此，可實現(xiàn)的輸出功率由施加到放大器的電壓決定，如果我們想增加輸出功率，我們需要增加施加到放大器的電壓。
這就是 GaN 變得非常有用的地方，因為我們可以快速從使用 GaAs 的 5 V 電源電壓轉(zhuǎn)換為使用 GaN 的 28 V 電源電壓，并且只需從 GaAs 更改為 GaN 技術(shù)，可實現(xiàn)的功率就從 0.25 W 增加到近 8 W . 還有其他需要考慮的因素，例如 GaN 中可用工藝的柵極長度，以及它們是否可以在頻帶的高頻端實現(xiàn)您需要的增益。隨著時間的推移，更多的這些 GaN 工藝變得可用。
固定 R L與級聯(lián)放大器相比，分布式放大器的 50 Ω 是不同的，在級聯(lián)放大器中，我們通過匹配網(wǎng)絡(luò)改變呈現(xiàn)給晶體管的電阻值，以優(yōu)化放大器的功率。優(yōu)化呈現(xiàn)給具有級聯(lián)放大器的晶體管的電阻值的好處在于它可以提高射頻功率。從理論上講，我們可以繼續(xù)增加晶體管外圍尺寸以繼續(xù)增加 RF 功率，但是這存在實際限制，例如復(fù)雜性、裸片尺寸和組合損耗。匹配網(wǎng)絡(luò)也傾向于限制帶寬，因為它們變得難以在寬頻率上提供最佳阻抗。在分布式功率放大器中，只有傳輸線的目的是使信號沿放大器產(chǎn)生相長干擾，而不是匹配網(wǎng)絡(luò)。還有其他技術(shù)可以進(jìn)一步提高分布式放大器的功率，例如使用共源共柵放大器拓?fù)溥M(jìn)一步增加放大器的電壓供應(yīng)。
結(jié)論
我們已經(jīng)表明，有多種技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)可以在提供最佳功率、效率和帶寬方面進(jìn)行權(quán)衡。這些不同的拓?fù)浜图夹g(shù)中的每一種都可能在半導(dǎo)體世界中占有一席之地，因為它們都提供了好處，這就是它們存活至今的原因。在這里，我們將重點關(guān)注一些我們認(rèn)為可以展示當(dāng)今使用這些技術(shù)實現(xiàn)高功率、高效率和高帶寬的可能性的結(jié)果。
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