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)。 通過降低器件的寄生參數(shù)，以及采用更短的柵極長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)計會有很多這種支持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，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，開發(fā)中的放大器能夠在RF/微波范圍的多個頻帶上提供數(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”計劃將整合公司在基帶信號處理和GaN功率放大器(PA)技術(shù)方面的優(yōu)勢。 通過使用預(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。

過去幾年發(fā)布的GaN器件既有分立式場效應(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)率相對較差，抵消了其在高性能、高可靠性應(yīng)用中的成本優(yōu)勢。 這些器件的柵極長度小至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)計人員關(guān)注GaN器件，因?yàn)樗鼈冎С址浅８叩墓ぷ麟妷海ū菺aAs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PA設(shè)計人員有重要意義，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)計的輸出阻抗常常極其低（相對于50 Ω或75 Ω的典型系統(tǒng)阻抗而言）。 低器件阻抗會限制可實(shí)現(xiàn)的帶寬，也就是說，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器件安裝在不匹配的測試夾具中，施加直流偏置，并用RF/微波測試信號驅(qū)動該器件，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)行了壽命測試，結(jié)果表明單個器件的平均失效前時間(MTTF)超過一百萬小時。 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，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)評測

目前部署的用于天氣預(yù)報和目標(biāo)捕獲/識別的雷達(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_擊和振動過大而受損。 這些TWT放大器的現(xiàn)場可靠性通常只有1200到1500小時，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)開發(fā)了一款8 kW固態(tài)X波段功率放大器。 該設(shè)計采用創(chuàng)新的分層合并方法，將256個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)個別MMIC發(fā)生故障時，這種合并方法保證輸出性能不會急劇降低。 TWT放大器則不是如此，由于其冗余性較低，單一故障往往會導(dǎo)致器件發(fā)生災(zāi)難性故障。 對于這種固態(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（圖2）采用水冷，其他采用空冷的版本正在開發(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

額定輸出功率	8 kW
頻率范圍	8 GHz至11 GHz
上升/下降時間（最大值）	200 ns
脈沖寬度	0.05 μs至100 μs
占空比	20%
輸入/輸出VSWR	1.50:1
帶外雜散噪聲（最大值）	–70.0 dBc
二階諧波（最大值）	–40.0 dBc
RF輸入連接器	SMA
RF輸出連接器	波導(dǎo)

8 kW SSPA支持將多個模塊式SSPA合并以產(chǎn)生更高的功率水平。 目前正在開發(fā)含有三個這樣的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)一步評估。

ADI公司當(dāng)前正在開發(fā)一種高級功率模塊，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，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)置測試(BIT)功能、遠(yuǎn)程診斷測試以及對MMIC器件（為放大器供電）的快速實(shí)時偏置控制電路進(jìn)行控制。

此類GaN固態(tài)功率放大器旨在解決業(yè)界對寬瞬時帶寬、高輸出功率放大器的需求。 某些系統(tǒng)嘗試?yán)猛ǖ阑蚨鄠€放大器來滿足這些要求，每個放大器覆蓋所需頻譜的一部分并接入一個多路復(fù)用器。 這會提高成本和復(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)通過兩個不同的GaN放大器得到實(shí)現(xiàn)，一個放大器覆蓋VHF至L波段頻率，另一個覆蓋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VHF到S波段頻率，ADI公司開發(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)稱輸入信號時，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，可提供熱和電流過載保護(hù)及遙測報告，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 V_DC到30 V_DC。 圖3所示為該放大器的照片，輸出功率的典型實(shí)測性能數(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

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2 GHz以上的寬帶應(yīng)用，ADI公司也開發(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)通過寬帶低損耗功率合成器加以合并。 多個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)動放大器鏈也是基于有源GaN器件。 該放大器采用48 V_DC供電，內(nèi)置穩(wěn)壓器和高速開關(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

輸出功率	50W
頻率范圍	2至18 GHz
占空比	100%
輸入/輸出VSWR	1.50:1
帶外雜散噪聲（最大值）	–70.0 dBc
增益穩(wěn)定性	2.5 dB
RF輸入連接器	SMA
RF輸出連接器	N型

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公司還開發(fā)了一款12 W輸出功率的緊湊型臺式放大器（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，將來此類放大器的單位成本有望降低。 隨著柵極長度的縮短，基于GaN的SSPA將能支持更高的工作頻率，因此會有越來越多的GaN器件用于工作在毫米波頻率的系統(tǒng)。 顯而易見，當(dāng)前GaN改善性能并降低成本的趨勢應(yīng)當(dāng)會持續(xù)一段時間。

作者簡介

Walt DeMore于1983年獲得美國加州大學(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)公司獎學(xué)金計劃下的電氣工程碩士學(xué)位。 在休斯公司工作期間，他參與了多個國家安全項(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開發(fā)、相控陣子系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計、領(lǐng)導(dǎo)工程設(shè)計團(tuán)隊(duì)等。 他還擁有5項(xiàng)美國專利。

2002年，Walt加入TRW，該公司后來被Northrop Grumman收購，他在這家公司領(lǐng)導(dǎo)開發(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K_u波段SATCOM和地面通信終端。 Walt于2010年被評選為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公司位于美國加州圣迭戈的高功率子系統(tǒng)部門。 該部門專注于面向雷達(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)計和開發(fā)。