GaN Breaks Barriers—RF Power Amplifiers Go Wide and High

This article describes the state of the semiconductor technology that is enabling new developments with shorter gate length GaAs and GaN transistors, circuit design considerations to achieve optimum performance, and examples of both GaAs and GaN wideband power amplifiers (PAs) that demonstrate today’s technology.

对电信的较高数据速率和工业系统中较高分辨率的较高数据速率的需求不断提高，这推动了支持它们的电子设备的运行频率。这些系统中的许多系统都在广泛的频谱上运行，并且带宽的进一步增加是对新设计的共同要求。在许多此类系统中，都有一个推动所有频带使用一个信号链的推动。半导体技术的进步导致了高功率和宽带放大器的能力突破。

曾经由行驶波管统治的区域开始将地面放到半导体设备上，这要归功于扫描行业并使MMIC在数十年的带宽中产生> 1 W的MMIC。随着较短的栅极长度GAAS和GAN晶体管的可用improved circuit design techniques, new devices are becoming available that can perform comfortably to millimeter wave frequencies, opening new applications that were hard to contemplate a decade ago. This article will briefly describe the state of the semiconductor technology that is enabling these developments, circuit design considerations to achieve optimum performance, and examples of both GaAs and GaN wideband power amplifiers (PAs) that demonstrate today’s technology.

许多无线电子系统在广泛的频率范围内运行。在军事行业中，有几百MHz到许多GHz的雷达乐队。在非常宽的带宽上工作需要电子战和电子对策系统。威胁可能会以多种频率出现，例如MHz至20 GHz，甚至今天更高的频率。随着越来越多的电子设备在较高的频率下可用，对高频电子战系统的需求将扩散。在电信中，基站从450 MHz到〜3.5 GHz运行，并且随着对更多带宽的需求继续增加。卫星通信系统从主要由C波段到KA波段运行。用于测量这些不同电子的仪器需要在所有所需频率上工作以普遍接受。

As a result, the systems engineer faces challenges trying to design electronics to cover the entire frequency range. Given the possibility of having one signal chain cover the entire frequency range, most systems engineers and procurement folks would be very excited. There are many advantages to having one signal chain cover the entire frequency range, including simpler design, faster time to market, less component inventory to manage, and more. The challenge with the one signal chain approach is always related to the performance degradation that comes with a wideband solution vs. a narrow-band solution. At the heart of this challenge is the power amplifier, which commonly has superior performance in terms of power and efficiency when tuned over a narrow bandwidth.

半导体技术

In years past, traveling wave tube (TWT) amplifiers have dominated higher power electronics as the output power amplifier stage in many of these systems. There are some nice attributes to TWTs, including capability of kWs of power, operation over octaves or even multiple octaves of bandwidth, high efficiency in back off condition, and good stability over temperature. There are some drawbacks to TWTs that include poor long-term reliability, lower efficiency, and the need for very high voltage to operate (~1 kV or higher). Given the long-term reliability of semiconductor ICs, there has been a push toward these electronics for many years, starting with GaAs.

When possible, many systems engineers have worked to combine multiple GaAs ICs to generate large output power. Entire companies have been created based entirely on combining technology and doing it efficiently. There are many different types of combining technologies, such as spatial combining, corporate combining, etc. These combining techniques all suffer from the same fate—combining has loss and, ideally, you would not have to use these combining techniques. This motivates us to use high power electronics to start the design. The easiest way to increase the RF power from a power amplifier is to increase the voltage, which has made gallium nitride transistor technologies so attractive.

如果我们比较各种半导体工艺技术，我们可以看到功率通常如何通过高运行电压IC技术增加。硅锗（Sige）技术使用2 V至3 V的工作电压相对较低，但对于其集成效益非常有吸引力。GAA在微波频率上已被广泛用于功率放大器，并且在28 V处运行的硅LDMOS技术的运行电压为5 v至7V。在电信中使用了多年的硅LDMOS技术，但它主要有用，但主要有用于4 GHz以下4 GHz，，（so it’s not as widely used in broadband applications.

在低损失时，GAN技术在28 V至50 V时的出现，诸如碳化硅（SIC）之类的高热导热率底物已开发了一系列新的可能性。如今，硅技术的GAN仅限于6 GHz以下的运行。与SIC相比，与硅底物及其较低的导热率相关的RF损耗与SIC相比会随着频率的增加而损害增益，效率和功率。图1显示了各种半导体技术及其彼此比较的比较。

Figure 1. A process technology comparison of microwave frequency range power electronics.

GAN技术的出现使行业从TWT放大器和朝GAN放大器的转变成为许多系统的输出阶段。许多这些系统中的驱动器放大器通常仍然是GAAS，因为这些技术已经存在并继续得到改进。接下来，我们将研究如何使用电路设计从这些宽带功率放大器中提取尽可能多的功率，带宽和效率。基于GAN的设计肯定比基于GAAS的设计具有更高的输出功能，并且设计注意事项基本相同。

Design Considerations

选择如何启动设计以优化功率，效率和带宽时，有不同的拓扑和设计注意事项。最常见的整体放大器设计类型是一种多稳定，常用，基于晶体管的设计，也称为级联放大器设计。这里的增益从每个阶段乘以，导致高增益，并使我们能够增加输出晶体管大小，以增加RF功率。GAN在这里提供好处，因为我们能够极大地简化输出组合，减少损失，从而提高效率以及缩小模具大小，如图2所示。

图2.多阶段GAAS PA与等效的GAN PA的比较。

结果，我们能够实现更广泛的带宽并提高性能。从GAAS进入GAN设备的一个不太明显的好处是达到给定的RF功率水平，也许4 W-晶体管大小会更少，从而导致每个阶段的增益更高。它将导致每个设计阶段较少，最终效率更高。这种级联放大器技术面临的挑战是，即使在GAN技术的帮助下，也很难在八度上实现带宽，而不会显着损害功率和效率。

兰格耦合器

实现宽带宽设计的一种方法是在RF输入和输出上实现平衡的设计，如图3所示。此处，返回损失最终取决于耦合器设计，因为它变得更加容易优化增益和功率频率超过频率，也无需优化退货损失。即使使用Lange耦合器，在八度的范围内实现带宽也变得更加困难，但是它们确实为设计提供了非常不错的回报损失。

Figure 3. Balanced amplifier using Lange couplers.

Distributed Amplifier

The next topology to consider is the distributed power amplifier shown in Figure 4. The benefit of a distributed power amplifier is accomplished by incorporating the parasitic effects of the transistor into the matching networks between devices. The input and output capacitances of the device can be combined with the gate and drain line inductance, respectively, to make the transmission lines virtually transparent, excluding transmission line loss. By doing this, the gain of the amplifier should only be limited by the transconductance of the device and not the capacitive parasitics associated with the device.

仅当沿着门线传播的信号与信号从排水线传播的信号相同时，才会发生这种情况，因此每个晶体管的输出电压与先前的晶体管输出相相添加。传递到输出的信号将建设性地干扰，以使信号沿排水线生长。任何反向波都会破坏性干扰，因为这些信号不会相位。包括栅极终止，以吸收未耦合到晶体管门的任何信号。包括排水线终止，以吸收任何反向行驶波，这些反向行驶波可能会破坏性地干扰输出信号并改善低频下的回流损失。

结果，数十年的带宽能够从KHz实现到许多GHz。当需要多个带宽的八度并且有一些不错的好处，例如平坦的增益，良好的回报损失，高功率等。

图4.分布式放大器的简化框图。

在这里，分布式放大器的一个挑战是，功率能力取决于应用于设备的电压。由于没有窄带调整功能，因此您实际上可以为晶体管提供50Ω的阻抗或靠近它。当我们考虑功率放大器中平均电源的方程式，PA，RL或最佳载荷电阻的平均功率本质上是50Ω。因此，可实现的输出功率是由应用于放大器的电压设置的，因此，如果要增加输出功率，我们需要增加应用于放大器的电压。

等式1

这是GAN变得非常有帮助的地方，因为我们可以迅速从带有GAAS的5 V供应电压到GAN中的28 V供应电压，并且可实现的功率从0.25 w到几乎8 W，仅通过从GAAS转换为GAN技术。还需要考虑其他考虑因素，例如GAN中可用的过程的栅极长度，并且如果它们可以在频段的高频端获得所需的增益。随着时间的流逝，更多的这些gan过程可用。

与级联放大器相比，分布式放大器的50Ω的固定RL不同，我们通过匹配网络来更改给晶体管显示的电阻值以优化放大器的功率。通过级联放大器优化晶体管显示的电阻值有一个好处，因为它可以提高RF功率。从理论上讲，我们可以继续增加晶体管外围的大小，以继续增加RF功率，但是这种实际限制，例如复杂性，死亡大小和结合损失。

匹配网络也倾向于限制带宽，因为它们很难在宽频率上提供最佳阻抗。在分布式功率放大器中，只有传输线的目的是使信号沿放大器建设性干扰，而不是匹配网络。还有其他技术可以进一步提高分布式放大器的功率，例如使用cascode放大器拓扑结构来进一步增加对放大器的电压供应。

结果

我们已经表明，有各种技术和半导体技术在提供最佳功率，效率和带宽方面提供了权衡。这些不同的拓扑和技术中的每一个都可能在半导体世界中占有一席之地，因为它们每个人都会提供好处，这就是为什么它们至今仍能生存的原因。在这里，我们将重点介绍一些结果，我们相信这些结果可以证明当今这些技术可以实现高功率，效率和带宽。

Today's Product Capability

我们将查看一个基于GAAS的分布式功率放大器，从DC到30 GHz，这是一种从模拟设备发布的产品，HMC994A。这部分很有趣，因为它涵盖了数十年的带宽，许多不同的应用程序，并实现了高功率和效率。性能如图5所示。在这里，我们看到饱和的输出功率覆盖MHz至30 GHz，功率超过1 W，功率添加效率（PAE）为25％。该特定产品还具有38 dBM名义的强大三阶截距（TOI）性能。该结果表明，通过基于GAAS的设计，我们能够实现许多效率，该效率接近许多窄带功率放大器设计所能实现的效率。鉴于频率，高PAE，宽带功率性能和强大的回报损失的正增益斜率使HMC994A成为有趣的产品。

图5. HMC994A增益，功率和PAE与频率。

看到基于GAN的技术可以实现的目标也很有趣。模拟设备提供标准产品，HMC8205BF10（PDF），基于GAN，结合了高功率，效率和带宽。该产品由50 V电源运行，并以35％的名义效率提供35 W的RF电源，在十年的带宽中覆盖了约20 dB的功率增益。在这种情况下，与GAAS中的类似方法相比，单个IC能够提供大约10×的功率。在过去的几年中，这将需要一个复杂的GAAS模具组合方案，这将无法达到相同的效率。该产品展示了涵盖宽带宽度并提供高功率和效率的GAN技术的可能性，如图6所示，它还显示了高功率电子包装技术的进展，因为该部分将其放置在能够支撑连续波的法兰包装中（CW）许多军事应用所需的信号。

图6. HMC8205BF10功率增益，P_坐着和PAE与频率。

概括

像GAN这样的新半导体材料的出现已经打开了达到覆盖较大带宽的更高功率水平的可能性。较短的栅极长度GAAS设备的频率范围从20 GHz到40 GHz及以后。这些设备的可靠性在文献中显示超过100万小时，使其无处不在现代电子系统。我们期望较高的频率和更广泛的带宽趋势将持续到未来。

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