GaN功率放大器發(fā)展?fàn)顟B(tài)評(píng)測(cè)

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(lèi)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(lèi)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(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(lèi)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(lèi)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