電(dian)信(xin)行(xing)業(ye)不(bu)斷(duan)需(xu)要(yao)更(geng)高(gao)的(de)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)，工(gong)業(ye)係(xi)統(tong)不(bu)斷(duan)需(xu)要(yao)更(geng)高(gao)的(de)分(fen)辨(bian)率(lv)，這(zhe)助(zhu)推(tui)了(le)滿(man)足(zu)這(zhe)些(xie)需(xu)求(qiu)的(de)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)的(de)不(bu)斷(duan)上(shang)升(sheng)。許(xu)多(duo)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)在(zai)較(jiao)寬(kuan)的(de)頻(pin)譜(pu)中(zhong)工(gong)作(zuo)，新(xin)設(she)計(ji)通(tong)常(chang)也(ye)會(hui)有(you)進(jin)一(yi)步(bu)增(zeng)加(jia)帶(dai)寬(kuan)的(de)要(yao)求(qiu)。在(zai)許(xu)多(duo)這(zhe)樣(yang)的(de)係(xi)統(tong)中(zhong)，人(ren)們(men)傾(qing)向(xiang)於(yu)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)涵(han)蓋(gai)所(suo)有(you)頻(pin)帶(dai)的(de)信(xin)號(hao)鏈(lian)。半(ban)導(dao)體(ti)技(ji)術(shu)的(de)進(jin)步(bu)使(shi)高(gao)功(gong)率(lv)寬(kuan)帶(dai)放(fang)大(da)器(qi)功(gong)能(neng)突(tu)飛(fei)猛(meng)進(jin)。GaN革命席卷了整個行業
，並且可以讓MMIC在幾十種帶寬下生成1 W以上的功率，因此
，這個過去由行波管主導的領域已經開始讓步於半導體設備。更短柵極長度的GaAs和GaN晶體管guan的de出chu現xian以yi及ji電dian路lu設she計ji技ji術shu的de升sheng級ji，衍yan生sheng了le一yi些xie可ke以yi輕qing鬆song操cao作zuo毫hao米mi波bo頻pin率lv的de新xin設she備bei，開kai啟qi了le幾ji十shi年nian前qian難nan以yi想xiang象xiang的de新xin應ying用yong。本ben文wen將jiang簡jian要yao描miao述shu支zhi持chi這zhe些xie發fa展zhan的de半ban導dao體ti技ji術shu的de狀zhuang態tai
、實現最佳性能的電路設計考慮因素，還列舉了展現當今技術的GaAs和GaN寬帶功率放大器(PA)。

 

許多無線電子係統都可覆蓋很寬的頻率範圍。在軍事工業中，雷達頻段可覆蓋從幾百MHz到GHz級頻率。一些電子戰和電子對抗係統需要在極寬的帶寬下工作。各種不同頻率，如MHz至20 GHz，甚shen至zhi包bao括kuo更geng高gao的de頻pin率lv，現xian在zai都dou麵mian臨lin著zhe挑tiao戰zhan。隨sui著zhe越yue來lai越yue多duo電dian子zi設she備bei支zhi持chi更geng高gao頻pin率lv
，對dui更geng高gao頻pin率lv電dian子zi戰zhan係xi統tong的de需xu求qiu將jiang會hui出chu現xian井jing噴pen。在zai電dian信xin行xing業ye
，基ji站zhan的de工gong作zuo頻pin率lv為wei450 MHz至3.5 GHz左右，並且隨著更高帶寬的需求增長而持續增加。衛星通信係統的工作頻率主要為C-波段至Ka-boduan。yongyuceliangzhexiebutongdianzishebeideyiqiyibiaoxuyaonengzaisuoyouzhexiebiyaodepinlvxiagongzuo，cainengdedaoguojirenke。yinci，xitonggongchengshixuyaonulichangshishejiyixienenggoufugaizhenggepinlvfanweidedianzishebei。xiangdaokeyishiyongdangexinhaolianfugaizhenggepinlvfanwei，daduoshuxitonggongchengshihecaigourenyuandouhuifeichangxingfen。yongdangexinhaolianfugaizhenggepinlvfanweijianghuidailaixuduoyoushi

，qizhongbaokuojianhuasheji
、加速上市時間、減jian少shao要yao管guan理li的de器qi件jian庫ku存cun等deng。單dan信xin號hao鏈lian方fang案an的de挑tiao戰zhan始shi終zhong繞rao不bu開kai寬kuan帶dai解jie決jue方fang案an相xiang對dui窄zhai帶dai解jie決jue方fang案an的de性xing能neng衰shuai減jian。挑tiao戰zhan的de核he心xin在zai於yu功gong率lv放fang大da器qi
，對dui於yu窄zhai帶dai寬kuan其qi具ju有you一yi流liu的de功gong率lv和he效xiao率lv性xing能neng。 半導體技術

 

過去幾年，行波管(TWT)放大器一直將更高功率電子設備作為許多這類係統中的輸出功率放大器級。TWT擁有一些不錯的特性，包括千瓦級功率

、倍頻程帶寬或者甚至多倍頻程帶寬操作、高效回退操作以及良好的溫度穩定性。TWT也有一些缺陷，其中包括較差的長期可靠性、較低效率，並且需要非常高的電壓（大約1 kV或以上）才能工作。關於半導體IC的長期穩定性

，這些年電子設備一直向前發展，首當其衝的就是GaAs。在可能的情況下，許多係統工程師一直努力組合多個GaAs IC，生成大輸出功率。整個公司都完全建立在技術組合和有效實施的基礎之上。進而孕育了許多不同類型的組合技術，如空間組合


、企業組合等。這些組合技術全都麵臨著相同的命運——組合造成了損耗，幸運的是，並不一定要使用這些組合技術。這激勵我們使用高功率電子設備開始設計。提高功率放大器RFgonglvdezuijiandandefangshijiushizengjiadianya，zherangdanhuajiajingtiguanjishujijuxiyinli。ruguowomenduibibutongbandaotigongyijishu，jiuhuifaxiangonglvtongchanghuiruhesuizhegaogongzuodianyaIC技術而提高。矽鍺(SiGe)技術采用相對較低的工作電壓（2 V至3 V），但其集成優勢非常有吸引力。GaAs擁有微波頻率和5 V至7 V的工作電壓，多年來一直廣泛應用於功率放大器。矽基LDMOS技術的工作電壓為28 V
，已經在電信領域使用了許多年，但其主要在4 GHz以下頻率發揮作用，因此在寬帶應用中的使用並不廣泛。新興GaN技術的工作電壓為28 V至50 V



，擁有低損耗、高熱傳導基板（如碳化矽，SiC），開啟了一係列全新的可能應用。如今
，矽基GaN技術局限於6 GHz以下工作頻率。矽基板相關的RF損耗及其相對SiC的較低熱傳導性能則抵消了增益
、效率和隨頻率增加的功率優勢。圖1對比了不同半導體技術並顯示了其相互比較情況。

 

圖1. 微波頻率範圍功率電子設備的工藝技術對比。

 

GaN技術的出現讓業界放棄TWT放大器，轉而使用GaN放大器作為許多係統的輸出級。這些係統中的驅動放大器仍然主要使用GaAs，這是因為這種技術已經大量部署並且始終在改進。下一步
，我們將尋求如何使用電路設計，從這些寬帶功率放大器中提取較大功率
、帶寬和效率。當然，相比基於GaAs的設計，基於GaN的設計能夠提供更高的輸出功率

，並且其設計考慮因素在很大程度上是相同的。

 

 

選擇如何開始設計以優化功率

、效率及帶寬時，IC設計師可以使用不同拓撲及設計考慮因素。最常見的單塊放大器設計類型就是一種多級
、共源
、jiyujingtiguandesheji，yechengzuojilianfangdaqisheji。zheli

，zengyifangdaqihuicongmeiyijizengjia，congershixiangaozengyi，bingyunxuwomenzengjiashuchujingtiguandaxiao
，yizengjiaRF功率。GaN在這裏提供了一些優勢
，因為我們能夠大幅簡化輸出合成器、減少損耗，因而可以提高效率，減小芯片尺寸，如圖2所示。因此，我們能夠實現更寬帶寬並提高性能。從GaAs轉向GaN設備的一個不太明顯的優勢就是，能夠實現給定RF功率水平，可能是4 W。晶jing體ti管guan尺chi寸cun將jiang會hui更geng小xiao，從cong而er實shi現xian更geng高gao的de每mei級ji增zeng益yi。這zhe將jiang帶dai來lai更geng少shao的de設she計ji級ji，最zui終zhong實shi現xian更geng高gao效xiao率lv。這zhe些xie級ji聯lian放fang大da器qi技ji術shu的de挑tiao戰zhan在zai於yu
，在zai不bu顯xian著zhu降jiang低di功gong率lv和he效xiao率lv，甚shen至zhi在zai不bu借jie助zhuGaN技術的情況下，很難實現倍頻程帶寬。

 

圖2. 多級GaAs功率放大器和等效GaN功率放大器的比較。

 

 

實現寬帶寬設計的一種方法就是在RF輸入和輸出端使用蘭格耦合器實現均衡設計，如圖3suoshi。zhelidehuibosunhaozuizhongqujueyuouheqisheji，yinweizhejianggengrongyiyouhuazengyihepinlvgonglvxiangying，bingqiewuxuyouhuahuibosunhao。jibianshizaishiyonglangeouheqideqingkuangxia，yegengnanshixianbeipinchengdaikuan，danquekeyirangshejishixianbucuodehuibosunhao。

 

圖3. 采用蘭格耦合器的均衡放大器。

 

 

另一個要考慮的拓撲就是分布式功率放大器，如圖4suoshi。fenbushigonglvfangdaqideyoushiketongguozaishebeijiandepipeiwangluozhongyingyongjingtiguandejishengxiaoyinglaishixian。shebeideshuruheshuchudianrongkeyifenbieyuzhajiheloujixianludianganhebing
，rangchuanshuxianlubiandejihutouming
，chuanshuxianlusunhaochuwai。zheyang，fangdaqidezengyiyinggaijinshouxianyushebeidekuadaoxing，erfeishebeixiangguandedianrongjishengxingneng。jindangyanzhajixianluxiangxiachuanshudexinhaoyuyanloujixianluxiangxiachuanshudexinhaotongxiangshi
，caihuifashengzhezhongqingkuang。yinci
，meigejingtiguandeshuchudianyajiangyuzhiqiandejingtiguanshuchutongxiang。xiangshuchuduanchuanshudexinhaojianghuijijiganrao，yinci，xinhaohuisuizheloujixianluerzengqiang。renhefanxiangbodouhuisiyiganraoxinhao，yinweizhexiexinhaobuhuitongxiang。qizhongbaohanzhajixianluduandianji，kexishourenheweiouhezhijingtiguanzhajidexinhao。haibaohanloujixianluduandianji，kexishourenhekenengsiyiganraoshuchuxinhaobinggaishandipinlvxiahuibosunhaodefanxiangxingbo。yinci，zaijishizhongdaikuanxiadoukeshixiancongkHz到GHz級的頻率。當需要多個倍頻程帶寬時，這種拓撲就會變得非常受歡迎，並且還帶來了幾個不錯的優勢，如平穩增益
、良好的回波損耗、高功率等。圖4顯示了分布式放大器的一個例證。

 

圖4. 分布式放大器的簡化框圖。

 

在(zai)這(zhe)裏(li)，分(fen)布(bu)式(shi)放(fang)大(da)器(qi)麵(mian)臨(lin)的(de)一(yi)個(ge)挑(tiao)戰(zhan)就(jiu)是(shi)，功(gong)率(lv)功(gong)能(neng)由(you)設(she)備(bei)所(suo)使(shi)用(yong)的(de)電(dian)壓(ya)決(jue)定(ding)。由(you)於(yu)不(bu)存(cun)在(zai)窄(zhai)帶(dai)調(tiao)節(jie)功(gong)能(neng)，所(suo)以(yi)您(nin)可(ke)以(yi)實(shi)質(zhi)上(shang)向(xiang)晶(jing)體(ti)管(guan)提(ti)供(gong)50 Ω或接近於50 Ω的電阻。在等式1中，PA的平均功率
、RL或最佳負載電阻實質上將變成50 Ω。因此
，可實現的輸出功率由施加到放大器的電壓設定，所以，如果我們想要增加輸出功率，就需要增加施加到放大器的電壓。

 

 

這就是GaN的作用所在，我們可以迅速將帶GaAs的5 V電源電壓轉變成GaN中的28 V電源電壓


，並且隻需將GaAs轉變成GaN技術

，即可將可實現的功率從0.25 W轉變成8 W左右。還要考慮一些其他因素，如GaN中可用工藝的柵極長度，以及它們能否在高頻率帶端實現所需的增益。隨著時間發展，將會出現更多的GaN工藝。

 

級聯放大器需要通過匹配網絡來優化放大器功率
，以此改變晶體管電阻值，相比之下
，分布式放大器的50 Ω固定RL有所不同。利用級聯放大器優化晶體管電阻值時存在一個優勢，就是能提高RF功率。理論上，我們可以繼續增加晶體管外設尺寸，從而繼續提高RF功率，但這存在一些實際限製，如複雜性、芯xin片pian支zhi持chi和he合he並bing損sun耗hao。匹pi配pei網wang絡luo也ye會hui限xian製zhi帶dai寬kuan，因yin為wei它ta們men很hen難nan在zai廣guang泛fan的de頻pin率lv範fan圍wei中zhong提ti供gong最zui佳jia阻zu抗kang。分fen布bu式shi功gong率lv放fang大da器qi中zhong隻zhi有you傳chuan輸shu線xian路lu，其qi目mu的de是shi讓rang信xin號hao積ji極ji幹gan擾rao放fang大da器qi，並bing沒mei有you匹pi配pei網wang絡luo。還hai有you一yi些xie技ji術shu可ke以yi進jin一yi步bu提ti高gao分fen布bu式shi放fang大da器qi的de功gong率lv，如ru使shi用yong共gong射she共gong基ji放fang大da器qi拓tuo撲pu來lai進jin一yi步bu增zeng加jia放fang大da器qi的de電dian源yuan電dian壓ya。

 

 

關於提供最佳功率、xiaolvhedaikuandequanheng，womenyijingshuominglegezhongbutongdejiqiaohebandaotijishu。meiyizhongbutongtuopuhejishudouyoukenengzaibandaotishichangzhanjuyixizhidi，zheshiyinweitamenmeiyigedouyouyoushi，zheyeshitamennenggouzaidangqianshengcundeyuanyinsuozai。zheli，womenjiangguanzhujigezhidexinlaidejieguo，zhanxianzhexiedangqianjishuzaishixiangaogonglv、效率和帶寬時的可能性。 當前的產品功能

 

我們將了解ADI公司基於GaAs的分布式功率放大器產品HMC994A
，工作頻率範圍為直流至30 GHz。該器件非常有意思，因為它覆蓋了幾十種帶寬、許多不同應用

，並且可實現高功率和效率。其性能如圖5所示。在這裏，我們看到它是覆蓋MHz至30 GHz、功率附加效率(PAE)典型值為25%的飽和輸出功率大於1瓦的器件。這款產品還擁有標準值為38 dBm的強大的三階交調截點(TOI)性能。結果顯示，利用基於GaAs的設計，我們能夠實現接近於許多窄帶功率放大器設計的效率。HMC994A擁有正向頻率增益斜率、高PAE寬帶功率性能和強大的回波損耗，是一款非常有趣的產品。

 

圖5. HMC994A增益
、功率以及PAE和頻率的關係。

 

我們再來了解一下基於GaN技術可以做些什麼。ADI公司推出了一款標準產品HMC8205BF10，它基於GaN技術，具有高功率

、高效率 和寬帶寬。該產品的工作電源電壓為50 V，在35%的典型頻率下可提供35 W RF功率，帶20 dB左右的功率增益，覆蓋幾十種帶寬。這種情況下
，相比類似的GaAs方案，我們隻需要一個IC就能提供高出約10倍的功率。在過去數年
，這可能需要複雜的GaAs芯片組合方案，並且無法實現相同的效率。該產品展示了使用GaN技術的各種可能性
，包括覆蓋寬帶寬，提供高功率和高效率，如圖6所示。這還展現了高功率電子設備封裝技術的發展曆程
，因為這個采用法蘭封裝的器件能夠支持許多軍事應用所需的連續波(CW)信號。

 

圖6. HMC8205BF10功率增益
、PSAT以及PAE和頻率的關係。

 

 

GaN等全新半導體材料的出現開啟了實現覆蓋寬帶寬的更高功率水平的可能性。較短的柵極長度GaAs設備的頻率範圍已經從20 GHz擴展到了40 GHz及以上。這些器件的可靠性幾乎已經超過了100萬小時
，普遍應用於當今的電子設備係統中。未來，我們預計會持續向更高頻率和更寬帶寬發展。