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摘要
电信职业不断需求更高的数据速率，工业体系不断需求更高的分辨率，这助推了满意这些需求的电子设备作业频率的不断上升。许多体系可以在较宽的频谱中作业，新规划一般也会有进一步添加带宽的要求。在许多这样的体系中，人们倾向于运用一个包含一切频带的信号链。半导体技能的前进使高功率宽带放大器功用日新月异。GaN革新席卷了整个职业，而且可以让MMIC在几十种带宽下生成1 W以上的功率，因而，这个曩昔由行波管主导的范畴现已开端退让于半导体设备。更短栅极长度的GaAs和GaN晶体管的呈现以及电路规划技能的晋级，衍生了一些可以轻松操作毫米波频率的新设备，敞开了几十年前不可思议的新运用。本文将扼要描绘支撑这些开展的半导体技能的状况、完成最佳功用的电路规划考虑要素，还列举了展示当今技能的GaAs和GaN宽带功率放大器(PA)。
许多无线电子体系都可掩盖很宽的频率规模。在军事工业中，雷达频段可掩盖从几百MHz到GHz级频率。一些电子战和电子对抗体系需求在极宽的带宽下作业。各种不同频率，如MHz至20 GHz，乃至包含更高的频率，现在都面对着应战。跟着越来越多电子设备支撑更高频率，对更高频率电子战体系的需求将会呈现井喷。在电信职业，基站的作业频率为450 MHz至3.5 GHz左右，而且跟着更高带宽的需求添加而继续添加。卫星通信体系的作业频率首要为C-波段至Ka-波段。用于丈量这些不同电子设备的仪器仪表需求能在一切这些必要的频率下作业，才干得到世界认可。因而，体系工程师需求尽力测验规划一些可以掩盖整个频率规模的电子设备。想到可以运用单个信号链掩盖整个频率规模，大多数体系工程师和收购人员都会十分振奋。用单个信号链掩盖整个频率规模将会带来许多优势，其间包含简化规划、加快上市时刻、削减要办理的器材库存等。单信号链计划的应战一向绕不开宽带解决计划相对窄带解决计划的功用衰减。应战的中心在于功率放大器，关于窄带宽其具有一流的功率和功率功用。
半导体技能
曩昔几年，行波管(TWT)放大器一向将更高功率电子设备作为许多这类体系中的输出功率放大器级。TWT具有一些不错的特性，包含千瓦级功率、倍频程带宽或许乃至多倍频程带宽操作、高效回退操作以及杰出的温度稳定性。TWT也有一些缺点，其间包含较差的长时刻可靠性、较低功率，而且需求十分高的电压（大约1 kV或以上）才干作业。关于半导体IC的长时刻稳定性，这些年电子设备一向向前开展，首战之地的便是GaAs。在或许的状况下，许多体系工程师一向尽力组合多个GaAs IC，生成大输出功率。整个公司都彻底建立在技能组合和有用施行的根底之上。然后孕育了许多不同类型的组合技能，如空间组合、企业组合等。这些组合技能全都面对着相同的命运——组合造成了损耗，走运的是，并不一定要运用这些组合技能。这鼓励咱们运用高功率电子设备开端规划。进步功率放大器RF功率的最简略的办法便是添加电压，这让氮化镓晶体管技能极具吸引力。假如咱们比照不同半导体工艺技能，就会发现功率一般会怎么跟着高作业电压IC技能而进步。硅锗(SiGe)技能选用相对较低的作业电压（2 V至3 V），但其集成优势十分有吸引力。GaAs具有微波频率和5 V至7 V的作业电压，多年来一向广泛运用于功率放大器。硅基LDMOS技能的作业电压为28 V，现已在电信范畴运用了许多年，但其首要在4 GHz以下频率发挥效果，因而在宽带运用中的运用并不广泛。新式GaN技能的作业电压为28 V至50 V，具有低损耗、高热传导基板（如碳化硅，SiC），敞开了一系列全新的或许运用。现在，硅基GaN技能局限于6 GHz以下作业频率。硅基板相关的RF损耗及其相对SiC的较低热传导功用则抵消了增益、功率和随频率添加的功率优势。图1比照了不同半导体技能并显现了其彼此比较状况。
GaN技能的呈现让业界抛弃TWT放大器，转而运用GaN放大器作为许多体系的输出级。这些体系中的驱动放大器依然首要运用GaAs，这是由于这种技能现已很多布置而且一向在改进。下一步，咱们将寻求怎么运用电路规划，从这些宽带功率放大器中提取较大功率、带宽和功率。当然，比较根据GaAs的规划，根据GaN的规划可以供给更高的输出功率，而且其规划考虑要素在很大程度上是相同的。
规划考虑要素
挑选怎么开端规划以优化功率、功率及带宽时，IC规划师可以运用不同拓扑及规划考虑要素。最常见的单块放大器规划类型便是一种多级、共源、根据晶体管的规划，也称作级联放大器规划。这儿，增益放大器会从每一级添加，然后完成高增益，并答应咱们添加输出晶体管巨细，以添加RF功率。GaN在这儿供给了一些优势，由于咱们可以大幅简化输出合成器、削减损耗，因而可以进步功率，减小芯片尺度，如图2所示。因而，咱们可以完成更宽带宽并进步功用。从GaAs转向GaN设备的一个不太显着的优势便是，可以完成给定RF功率水平，或许是4 W。晶体管尺度将会更小，然后完成更高的每级增益。这将带来更少的规划级，终究完成更高功率。这些级联放大器技能的应战在于，在不明显下降功率和功率，乃至在不凭借GaN技能的状况下，很难完成倍频程带宽。
兰格耦合器
完成宽带宽规划的一种办法便是在RF输入和输出端运用兰格耦合器完成均衡规划，如图3所示。这儿的回波损耗终究取决于耦合器规划，由于这将更简单优化增益和频率功率呼应，而且无需优化回波损耗。即便是在运用兰格耦合器的状况下，也更难完成倍频程带宽，但却可以让规划完成不错的回波损耗。
分布式放大器
另一个要考虑的拓扑便是分布式功率放大器，如图4所示。分布式功率放大器的优势可经过在设备间的匹配网络中运用晶体管的寄生效应来完成。设备的输入和输出电容可以别离与栅极和漏极线路电感兼并，让传输线路变得简直通明，传输线路损耗在外。这样，放大器的增益应该仅受限于设备的跨导性，而非设备相关的电容寄生功用。仅当沿栅极线路向下传输的信号与沿漏极线路向下传输的信号同相时，才会发作这种状况。因而，每个晶体管的输出电压将与之前的晶体管输出同相。向输出端传输的信号将会活跃搅扰，因而，信号会跟着漏极线路而增强。任何反向波都会任意搅扰信号，由于这些信号不会同相。其间包含栅极线路端电极，可吸收任何未耦合至晶体管栅极的信号。还包含漏极线路端电极，可吸收任何或许任意搅扰输出信号并改进低频率下回波损耗的反向行波。因而，在几十种带宽下都可完成从kHz到GHz级的频率。当需求多个倍频程带宽时，这种拓扑就会变得十分受欢迎，而且还带来了几个不错的优势，如平稳增益、杰出的回波损耗、高功率等。图4显现了分布式放大器的一个例子。
在这儿，分布式放大器面对的一个应战便是，功率功用由设备所运用的电压决议。由于不存在窄带调理功用，所以您可以本质上向晶体管供给50 Ω或接近于50 Ω的电阻。在等式1中，PA的平均功率、RL或最佳负载电阻本质大将变成50 Ω。因而，可完成的输出功率由施加到放大器的电压设定，所以，假如咱们想要添加输出功率，就需求添加施加到放大器的电压。
这便是GaN的效果地点，咱们可以敏捷将带GaAs的5 V电源电压转变成GaN中的28 V电源电压，而且只需将GaAs转变成GaN技能，即可将可完成的功率从0.25 W转变成8 W左右。还要考虑一些其他要素，如GaN中可用工艺的栅极长度，以及它们能否在高频率带端完成所需的增益。跟着时刻开展，将会呈现更多的GaN工艺。
级联放大器需求经过匹配网络来优化放大器功率，以此改动晶体管电阻值，比较之下，分布式放大器的50 Ω固定RL有所不同。运用级联放大器优化晶体管电阻值时存在一个优势，便是能进步RF功率。理论上，咱们可以继续添加晶体管外设尺度，然后继续进步RF功率，但这存在一些实践约束，如杂乱性、芯片支撑和兼并损耗。匹配网络也会约束带宽，由于它们很难在广泛的频率规模中供给最佳阻抗。分布式功率放大器中只要传输线路，其意图是让信号活跃搅扰放大器，并没有匹配网络。还有一些技能可以进一步进步分布式放大器的功率，如运用共射共基放大器拓扑来进一步添加放大器的电源电压。
成果
关于供给最佳功率、功率和带宽的权衡，咱们现已说明晰各种不同的技巧和半导体技能。每一种不同拓扑和技能都有或许在半导体商场占有一席之地，这是由于它们每一个都有优势，这也是它们可以在当时生计的原因地点。这儿，咱们将重视几个值得信任的成果，展示这些当时技能在完成高功率、功率和带宽时的或许性。
当时的产品功用
咱们将了解ADI公司根据GaAs的分布式功率放大器产品HMC994A，作业频率规模为直流至30 GHz。该器材十分有意思，由于它掩盖了几十种带宽、许多不同运用，而且可完成高功率和功率。其功用如图5所示。在这儿，咱们看到它是掩盖MHz至30 GHz、功率附加功率(PAE)典型值为25%的饱满输出功率大于1瓦的器材。这款产品还具有规范值为38 dBm的强壮的三阶交调截点(TOI)功用。成果显现，运用根据GaAs的规划，咱们可以完成接近于许多窄带功率放大器规划的功率。HMC994A具有正向频率增益斜率、高PAE宽带功率功用和强壮的回波损耗，是一款十分风趣的产品。
咱们再来了解一下根据GaN技能可以做些什么。ADI公司推出了一款规范产品HMC8205BF10，它根据GaN技能，具有高功率、高功率和宽带宽。该产品的作业电源电压为50 V，在35%的典型频率下可供给35 W RF功率，带20 dB左右的功率增益，掩盖几十种带宽。这种状况下，比较相似的GaAs计划，咱们只需求一个IC就能供给高出约10倍的功率。在曩昔数年，这或许需求杂乱的GaAs芯片组合计划，而且无法完成相同的功率。该产品展示了运用GaN技能的各种或许性，包含掩盖宽带宽，供给高功率和高功率，如图6所示。这还展示了高功率电子设备封装技能的开展进程，由于这个选用法兰封装的器材可以支撑许多军事运用所需的接连波(CW)信号。
结语
GaN等全新半导体资料的呈现敞开了完成掩盖宽带宽的更高功率水平的或许性。较短的栅极长度GaAs设备的频率规模现已从20 GHz扩展到了40 GHz及以上。这些器材的可靠性简直现已超过了100万小时，遍及运用于当今的电子设备体系中。未来，咱们预计会继续向更高频率和更宽带宽开展。
