测量氮化镓功率放大的状态

GaN功率半导体技术和模块化设计的改进使微波频率的高功率连续波（CW）和脉冲放大器成为可能。

氮化镓（GaN）功率半导体技术为提高射频/微波功率放大的性能水平做出了巨大贡献。通过减少器件的寄生元件、使用更短的栅极长度和使用更高的工作电压，GaN晶体管达到了更高的输出功率密度、更宽的带宽和更高的DC-RF效率。例如，到2014年，基于GaN的X波段放大器能够产生8 kW脉冲输出功率，被证明可用于雷达系统应用，作为行波管（TWT）器件和TWT放大器的替代品。到2016年，这些固态GaN功率放大器预计将有32 kW的变体。鉴于这些放大器的可用性，将回顾这些高功率GaN放大器的一些关键特性和特性。

最近，GaN一直是反射频电子战（CREW）应用的首选技术，提供了数以万计的放大器供现场使用。该技术现在也部署在机载电子战领域，正在开发的放大器能够在射频/微波范围内的多个倍频程上提供数百瓦的输出功率。

需要进一步研究的领域包括改进许多军事通信系统中使用的高峰平均功率比（PAPR）波形的线性度，包括通用数据链路（CDL），宽带网络波形（WNW），士兵无线电波形（SRW）和宽带卫星通信（SATCOM）应用。ADI公司的“比特到RF”计划将整合公司在基带信号处理和GaN功率放大器（PA）技术方面的优势。这种集成将通过使用预失真和包络调制等技术来提高PA线性度和效率。

在过去几年中，基于GaN的器件，包括分立场效应晶体管（FET）和单片微波集成电路（MMIC），已经发布并广泛用于高功率微波放大器系统。这些器件可从多个代工厂来源和设备制造商处获得，通常在 100 mm 碳化硅 （SiC） 晶圆上制造。硅上的氮化镓工艺也在考虑之中;然而，硅相对较差的导热性和导电性抵消了高性能、高可靠性应用中的成本优势。这些器件的栅极长度小至 0.2 μm，支持在毫米波频段内工作。在许多高频应用中，基于GaN的器件已在很大程度上取代了砷化镓（GaAs）和硅横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）器件，除了成本最敏感的低频应用。

GaN 器件是射频功率放大器设计人员感兴趣的，因为它们支持非常高的工作电压（比 GaAs 器件高 50 到 75 倍），并且每单位 FET 栅极宽度的允许电流大约是砷化镓器件的两倍。这些特性对PA设计人员具有重要影响，特别是在给定输出功率水平下具有更高的负载阻抗。以前基于GaAs或LDMOS的设计通常具有相对于<> Ω或<> Ω的典型系统阻抗的极低输出阻抗。低器件阻抗限制了可实现的带宽，也就是说，随着放大器件与其负载之间所需的阻抗变换比增加，元件数量和插入损耗也会增加。由于这些高阻抗，这些器件的早期用户在某些情况下只需在不匹配的测试夹具中安装一个，施加直流偏置，并使用RF/微波测试信号驱动器件，就可以获得部分结果。

由于这些工作特性和出色的可靠性，GaN器件也正在进入高可靠性空间应用。来自这些器件多个来源的寿命测试数据预测，在结温为 225°C 或更高的情况下，平均失效时间 （MTTF） 持续时间（单个器件）超过 3 万小时。这种出色的可靠性主要是由于GaN的高带隙值（GaN为4.1，GaAs为4.<>）。这使得它们非常适合高可靠性应用。

GaN在高功率应用中广泛使用的主要障碍是其相对较高的制造成本 - 通常是GaAs的两到三倍，是基于Si LDMOS的器件的五到七倍。这通常是在无线基础设施和消费类手机等成本敏感型应用中使用的障碍。硅基底上的氮化镓工艺是可用的，尽管存在前面提到的性能问题，并且这些工艺的器件可能最适合这些成本敏感的应用。在不久的将来，随着氮化镓器件制造转向直径为50毫米或更大的更大晶圆，预计成本将降低150%左右，目前在几家领先的GaN器件代工厂进行。

目前部署的用于天气预报和目标获取/识别的雷达系统依赖于在C波段和X波段频率下工作的基于TWT的功率放大器。放大器在高电源电压（10 kV至100 kV）和温度下运行，容易受到过度冲击和振动的损坏。这些电子管放大器的现场可靠性通常为1200小时至1500小时，这导致维护和备件成本高昂。

作为这些基于TWT的高功率放大器的替代方案，ADI公司开发了基于GaN技术的8 kW固态X波段功率放大器。该设计采用创新的分层合路器方法，将 256 个 MMIC 的贡献射频/微波输出功率相加，每个 MMIC 产生约 35 W 的输出功率。组合方法会导致在发生单个 MMIC 故障时性能正常下降。这与TWT放大器形成鲜明对比，TWT放大器由于冗余水平低，往往会遭受灾难性的故障。对于这些固态GaN功率放大器，RF/微波组合架构必须在MMIC之间所需的隔离与整个网络的RF/微波插入损耗之间取得合理的平衡。

8 kW 放大器拓扑是模块化的，由四个 2 kW 放大器组件组成，其输出功率采用波形导轨结构组合（图 1）。放大器可以安装在标准的 19“ 机架外壳中。放大器的当前设计（图2）配置为水冷，但使用风冷的放大器变体正在开发中。表 1 汇总了水冷 8 kW GaN PA 的性能水平。

图1.基于 GaN 的固态功率放大器，能够在 X 波段频率下提供 8 kW 的输出功率。

图2.表示GaN、X波段固态功率放大器的结构和组件的框图。

表 1.典型的 8 kW PA 性能

 

额定输出功率	8 千瓦
频率范围	8 千兆赫至 11 千兆赫
上升/下降时间（最大）	200 纳秒
脉冲宽度	0.05 μs 至 100 μs
占空比	20%
输入/输出驻波比	1.50:1
带外杂散噪声（最大值	–70.0 分贝
二阶谐波（最大值）	–40.0 分贝
射频输入连接器	SMA
射频输出连接器	波导

 

8 kW SSPA的设计方式使这些模块化SSPA可以组合在一起以产生更高的功率水平。目前正在开发一种放大器，该放大器将结合其中三个8 kW SSPA模块，以在相同频率范围内实现24 kW峰值输出功率水平的单位。其他实现功率水平达到 32 kW 的配置是可行的，并且正在考虑进一步评估。

ADI公司目前正在开发一种基于GaN技术的先进功率模块，该模块将使当前模块的RF/微波输出功率翻倍。该模块设计为密封，以支持在极端环境中的操作。这与插入损耗降低的下一代组合结构（与当前方法相比）一起，将在射频/微波频率下将脉冲输出功率扩展到接近75 kW至100 kW的水平。这些先进的高功率SSPA将包括控制和处理器功能，以实现故障监控、内置测试（BIT）功能、远程诊断测试以及为放大器供电的MMIC器件的快速、实时偏置控制电路控制。

这些基于GaN的固态功率放大器满足了业界对具有宽瞬时带宽和高输出功率水平的放大器的需求。一些系统试图使用通道化或多个放大器来满足这些要求，每个放大器覆盖所需频谱的一部分并为多路复用器供电。这导致成本和复杂性增加，并导致多路复用器频率交越点的覆盖差距。更有效的替代解决方案是在高功率水平下连续覆盖宽频率范围，就像两个不同的基于GaN的放大器一样，覆盖VHF到L波段频率，以及2 GHz至18 GHz。

针对VHF至S波段频率的应用，ADI公司开发了一种非常小、功能丰富的多倍频程放大器，能够在50 MHz至115 MHz范围内提供2000 W输出功率。当输入标称输入信号为46 dBm时，该放大器在整个频率范围内可实现40 dBm（典型值为0 W）的输出功率电平。

该放大器采用尺寸为 7.3“ × 3.6” × 1.4“ 的紧凑型外壳，包括用于热和电流过载保护、遥测报告和集成 DC-DC 转换器的 BIT 功能，可在 26 V 输入电源范围内实现不折不扣的 RF 性能直流至 30 V直流.图3提供了放大器的照片，以及图4所示输出功率与频率的典型测量性能数据。

图3.连续波 （CW）、50 W、固态功率放大器，工作频率范围为 115 MHz 至 2000 MHz。

图4.显示 50 W、115 MHz 至 2000 MHz 功率放大器的输出功率与频率的关系图。

为了满足2 GHz以上的宽带应用需求，ADI公司还开发了一款GaN放大器，可在整个50 GHz至2 GHz频段内产生18 W连续波（CW）输出功率。该放大器使用市售的10 W GaN MMIC，输出功率贡献通过宽带、低损耗组合器电路求和。多个放大器可以依次组合，以在相同的200 GHz至2 GHz带宽上产生高达18 W的输出功率。驱动放大器链也基于GaN有源器件。该放大器工作在 48 VDC 电压下，具有内部稳压器和高速开关电路，可实现脉冲操作，具有良好的脉冲保真度和快速上升和下降时间。表2列出了该放大器的规格。图5提供了放大器的照片，图6显示了放大器的输出功率与2 GHz至18 GHz频率的函数关系。

表 2.典型宽带 SSPA 性能

 

输出功率	50 瓦
频率范围	2 至 18 GHz
占空比	100%
输入/输出驻波比	1.50:1
带外杂散噪声（最大值）	–70.0 分贝
增益稳定性	2.5分贝
射频输入连接器	SMA
射频输出连接器	N型

 

图5.放大器能够承受 50 W 的 2 GHz 至 18 GHz 的 CW 输出功率。

图6.显示 50 W、2 GHz 至 18 GHz 功率放大器的输出功率与频率的关系图。

这款 50 W 放大器是覆盖 2 GHz 至 18 GHz 频段的放大器系列之一。ADI还开发了一款输出功率为12 W的紧凑型台式放大器（图7）和输出功率为100 W的机架安装单元（图8）。其他频率覆盖范围为2 GHz至6 GHz和6 GHz至18 GHz的放大器正在开发中。ADI还致力于将这些宽带放大器的输出功率从目前的水平提高到200 W或更高的功率水平。为了实现这些更高的输出功率水平，该公司正在开发具有更高输出功率的模块，以及宽带RF功率组合器，其组合效率大大提高，损耗比当前的功率组合器更低。

图7.宽带 2 GHz 至 18 GHz 功率放大器，在整个频率范围内产生 12 W CW 输出功率。

图8.2 GHz 至 18 GHz 固态功率放大器，可在整个频率范围内产生 100 W CW 输出功率。

这些是基于GaN的固态放大器可能达到的性能水平的几个示例。随着越来越多的GaN半导体供应商转向更大的晶圆尺寸，并继续提高每个晶圆的器件产量，这些放大器的单位成本预计将在未来下降。随着栅极长度的减小，在毫米波频率下运行的系统将更多地使用GaN器件，从而使基于GaN的SSPA能够实现更高频率的操作。很明显，目前提高性能和降低成本的GaN趋势应该会持续一段时间。

审核编辑：郭婷