氮化镓(GaN)功率半导体技能和模块式设想

氮化镓(GaN)功率半导体技能和模块式设计的前进，使得微波频率的高功率一连波(CW)和脉冲放大器成为大概。

通过淘汰器件的寄生元件，以及采纳更短的栅极长度和更高的事情电压，GaN晶体管已实现更高的输出功率密度、更宽的带宽和更好的DC转RF服从。作为反射频电子战(CREW)应用的首选技能，GaN已有成千上万的放大器交付现实利用。如今，该技能也被摆设到机载电子战范畴，开辟中的放大器可以或许在RF/微波范畴的多个倍频程上提供数百瓦的输出功率。
ADI的“比特转RF”打算将整合公司在基带信号处置惩罚和GaN功率放大器(PA)技能方面的上风。通过利用预失真和包络调制等技能，这种整合将有利于进步PA线性度和服从。

RF功率放大器设计职员存眷GaN器件，由于它们支持非常高的事情电压(比GaAs高三到五倍)，而且每单元FET栅极宽度容许的电流大抵是GaAs器件的两倍。这些特性对PA设计职员有紧张意义，意味着在给定输出功率程度可以支持更高的负载阻抗。曩昔基于GaAs或LDMOS的设计的输出阻抗每每极其低(相对付50 Ω或75 Ω的典范体系阻抗而言)。低器件阻抗会限定可实现的带宽，也便是说，随着放大器件与其负载之间的阻抗转换比要求进步，元件数和插入消耗也会增添。因为这种高阻抗，此类器件的早期利用者在某些情形下仅将一个器件安置在不立室的测试夹具中，施加直流偏置，并用RF/微波测试信号驱动该器件，便取得了部门结果。

因为这些事情特性及其特别高的可靠性，GaN器件也实用于高可靠性空间应用。多家器件提供商在225°C或更高的结温下举行了寿命测试，效果评释单个器件的均匀失效前时间(MTTF)凌驾一百万小时。云云高的可靠性重要是由于GaN具有很高的带隙值(GaN为3.4，GaAs为1.4)，这使得它格外得当高可靠性应用。扩大GaN在高功率应用中的利用的重要停滞是其制造本钱相对较高，通常比GaAs超过跨过两到三倍，比Si LDMOS器件超过跨过五到七倍。这拦阻了它在无线底子办法和消耗者手持设置装备摆设等本钱敏感型应用中的利用。如今有了硅上氮化镓工艺，固然存在上面提到的性能题目，但这种工艺生产的器件大概最得当本钱敏感型应用。在不久的未来，随着GaN器件制造转向更大尺寸的晶圆(直径150mm及更大，现在有多家领先的GaN器件代工场正在开辟)，本钱有望低落50%左右。

现在摆设的用于气候预告和目的捕捉/辨认的雷达体系，依靠于事情在C波段和X波段频率的TWT功率放大器。此类放大器在高电源电压(10 kV至100 kV)和高温下运行，简单由于打击和振动过大而受损。这些TWT放大器的现场可靠性通常只有1200到1500小时，导致维护和备件本钱很高。

作为高功率TWT放大器的替换产物，ADI基于GaN技能开辟了一款8 kW固态X波段功率放大器。该设计采纳创新的分层归并要领，将256个MMIC的RF/微波输出功率加总，各MMIC孕育发生约莫35 W的输出功率。当个体MMIC产生妨碍时，这种归并要领包管输出性能不会急剧低落。TWT放大器则不是云云，因为其冗余性较低，单一妨碍每每会导致器件产生灾祸性妨碍。对付这种固态GaN功率放大器，RF/微波归并架构一定在MMIC间所需的断绝与整个网络的RF/微波插入消耗之间取得公道的均衡。

8 kW放大器拓扑是模块式，包罗4个2 kW放大器组件，其输出功 率使用波导布局加以归并(图1)。

图1. 基于GaN的固态功率放大器可以或许提供8 kW输出功率，事情在X波段频率

该放大器可以安置在尺度19英寸机壳中。该放大器确当前设计(图2)采纳水冷，其他采纳空冷的版本正在开辟当中 。

图2. 反应GaN、X波段固态功率放大器的布局和器件的框图

表1给出了水冷8 kW GaN PA的性能择要

8 kW SSPA支持将多个模块式SSPA归并以孕育发生更高的功率程度。现在正在开辟含有三个如许的8 kW SSPA模块的放大器，其在雷同频率范畴上可实现24 kW的峰值输出功率程度。其他实现32 kW功率程度的设置装备摆设也是可行的，现在正在思量以供进一步评估。

基于GaN的高级模块

ADI当前正在开辟一种高级功率模块，也是基于GaN技能，其RF/微波输出功率将是当前模块的两倍。该模块采纳密封设计，支持在极度情况下事情。联合下一代归并布局和更低的插入消耗(与当火线法相比)，它将把RF/微波频率的脉冲输出功率进步到靠近75kW到100 kW的程度。这些先辈的高功率SSPA将包罗操纵和处置惩罚器功效，支持妨碍监控、内置测试(BIT)功效、长途诊断测试以及对MMIC器件(为放大器供电)的快速及时偏置操纵电路举行操纵。

此类GaN固态功率放大器旨在办理业界对宽瞬时带宽、高输出功率放大器的需求。某些体系实验使用通道化或多个放大器来餍足这些要求，每个放大器笼罩所需频谱的一部门并馈入一个多路复用器。这会进步本钱和庞大性，并导致在多路复用器的频率交越点处显现清闲。更有用的替换办理方案因此更高的功率程度一连笼罩宽频率范畴，这已经通过两个差别的GaN放大器得到实现，其笼罩VHF至L波段频率以及2 GHz至18 GHz。

针对VHF到S波段频率的放大器

针对VHF到S波段频率，ADI开辟了一款尺寸非常小、功效富厚、多倍频程的放大器，其在115 MHz到2000 MHz范畴内可提供50W输出功率。在全频率范畴内，当馈入0 dBm的标称输入信号时，该放大器可实现46 dBm (典范值40 W)的输出功率程度。

该放大器采纳尺寸为7.3" × 3.6" × 1.4"的紧凑式封装，具有BIT功 能，可提供热和电流过载爱护及遥测陈诉，并集成DC-DC转换器以实现最佳RF性能，输入电源范畴是26 VDC到30 VDC。图3所示为该放大器的照片，输出功率的典范实测性能数据与频率的干系如图4所示。

图4. 50 W、115 MHz至2000 MHz功率放大器的输出功率与频率的干系

针对2 GHz以上宽带应用的放大器

针对2 GHz以上的宽带应用，ADI也开辟了一款GaN放大器，其可在2 GHz到18 GHz频段孕育发生50 W一连波(CW)输出功率。这款放大器采纳商用10 W GaN MMIC，其输出功率奉献通过宽带低消耗归并电路加以归并。多个如许的放大器也可以归并，以在同样的2 GHz到18 GHz带宽孕育发生高达200 W的输出功率。驱动放大器链也是基于GaN有源器件。该放大器采纳48 VDC供电，内置稳压器和高速开关电路，支持脉冲操纵，具有精良的脉冲保真度和快速上升/降落时间。表2列出的这款放大器的规格。

表2. 典范宽带SSPA性能

图5所示为该放大器的照片，图6表现了该放大器的输出功率与频率(2 GHz至18 GHz)的函数干系。

图5. 50 W、CW输出功率放大器，事情频率范畴为2 GHz至18 GHz

图6. 50 W、2 GHz至18 GHz功率放大器的输出功率与频率的干系

这款50 W放大器是2 GHz到18 GHz频段系列放大器中的一员。ADI还开辟了一款12 W输出功率的紧凑型台式放大器(图7)和一款100 W输出功率的机架安置单位(图8)。频率范畴从2 GHz到6 GHz以及从6 GHz到18 GHz的其他放大器正在开辟中。ADI还在高兴将这些宽带放大器的输出功率从当前程度进步到200 W及更高程度。为了实现更高的输出功率程度，ADI正在开辟高输出功率模块和宽带RF功率归并器，其归并服从将大为改进，消耗也低于当前功率归并器。

图7. 宽带2 GHz至18 GHz功率放大器，在全频率范畴孕育发生12 W CW输出功率

图8. 2 GHz至18 GHz固态功率放大器，在全频率范畴孕育发生100 W CW输出功率

以上是使用GaN固态放大器可实现的性能程度的几个例子。随着更多GaN半导体提供商转向更大尺寸的晶圆，以及每片晶圆的良品率连续进步，未来此类放大器的单元本钱有望低落。随着栅极长度的收缩，基于GaN的SSPA将能支持更高的事情频率，是以会有越来越多的GaN器件用于事情在毫米波频率的体系。显而易见，当前GaN改进性能并低落本钱的趋向该当会连续一段时间。

泉源：电子发热友