GaN功率半導體技術和模塊化設計的改進使微波頻率的高功率連續波（CW）和脈沖放大器成為可能。

氮化鎵（GaN）功率半導體技術為提高射頻/微波功率放大的性能水平做出了巨大貢獻。通過減少器件的寄生元件、使用更短的柵極長度和使用更高的工作電壓，GaN晶體管達到了更高的輸出功率密度、更寬的帶寬和更高的DC-RF效率。例如，到2014年，基于GaN的X波段放大器能夠產生8 kW脈沖輸出功率，被證明可用于雷達系統應用，作為行波管（TWT）器件和TWT放大器的替代品。到2016年，這些固態GaN功率放大器預計將有32 kW的變體。鑒于這些放大器的可用性，將回顧這些高功率GaN放大器的一些關鍵特性和特性。

最近，GaN一直是反射頻電子戰（CREW）應用的首選技術，提供了數以萬計的放大器供現場使用。該技術現在也部署在機載電子戰領域，正在開發的放大器能夠在射頻/微波范圍內的多個倍頻程上提供數百瓦的輸出功率。

需要進一步研究的領域包括改進許多軍事通信系統中使用的高峰平均功率比（PAPR）波形的線性度，包括通用數據鏈路（CDL），寬帶網絡波形（WNW），士兵無線電波形（SRW）和寬帶衛星通信（SATCOM）應用。ADI公司的“比特到RF”計劃將整合公司在基帶信號處理和GaN功率放大器（PA）技術方面的優勢。這種集成將通過使用預失真和包絡調制等技術來提高PA線性度和效率。

在過去幾年中，基于GaN的器件，包括分立場效應晶體管（FET）和單片微波集成電路（MMIC），已經發布并廣泛用于高功率微波放大器系統。這些器件可從多個代工廠來源和設備制造商處獲得，通常在 100 mm 碳化硅 （SiC） 晶圓上制造。硅上的氮化鎵工藝也在考慮之中;然而，硅相對較差的導熱性和導電性抵消了高性能、高可靠性應用中的成本優勢。這些器件的柵極長度小至 0.2 μm，支持在毫米波頻段內工作。在許多高頻應用中，基于GaN的器件已在很大程度上取代了砷化鎵（GaAs）和硅橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS）器件，除了成本最敏感的低頻應用。

GaN 器件是射頻功率放大器設計人員感興趣的，因為它們支持非常高的工作電壓（比 GaAs 器件高 50 到 75 倍），并且每單位 FET 柵極寬度的允許電流大約是砷化鎵器件的兩倍。這些特性對PA設計人員具有重要影響，特別是在給定輸出功率水平下具有更高的負載阻抗。以前基于GaAs或LDMOS的設計通常具有相對于<> Ω或<> Ω的典型系統阻抗的極低輸出阻抗。低器件阻抗限制了可實現的帶寬，也就是說，隨著放大器件與其負載之間所需的阻抗變換比增加，元件數量和插入損耗也會增加。由于這些高阻抗，這些器件的早期用戶在某些情況下只需在不匹配的測試夾具中安裝一個，施加直流偏置，并使用RF/微波測試信號驅動器件，就可以獲得部分結果。

由于這些工作特性和出色的可靠性，GaN器件也正在進入高可靠性空間應用。來自這些器件多個來源的壽命測試數據預測，在結溫為 225°C 或更高的情況下，平均失效時間 （MTTF） 持續時間（單個器件）超過 3 萬小時。這種出色的可靠性主要是由于GaN的高帶隙值（GaN為4.1，GaAs為4.<>）。這使得它們非常適合高可靠性應用。

GaN在高功率應用中廣泛使用的主要障礙是其相對較高的制造成本 - 通常是GaAs的兩到三倍，是基于Si LDMOS的器件的五到七倍。這通常是在無線基礎設施和消費類手機等成本敏感型應用中使用的障礙。硅基底上的氮化鎵工藝是可用的，盡管存在前面提到的性能問題，并且這些工藝的器件可能最適合這些成本敏感的應用。在不久的將來，隨著氮化鎵器件制造轉向直徑為50毫米或更大的更大晶圓，預計成本將降低150%左右，目前在幾家領先的GaN器件代工廠進行。

目前部署的用于天氣預報和目標獲取/識別的雷達系統依賴于在C波段和X波段頻率下工作的基于TWT的功率放大器。放大器在高電源電壓（10 kV至100 kV）和溫度下運行，容易受到過度沖擊和振動的損壞。這些電子管放大器的現場可靠性通常為1200小時至1500小時，這導致維護和備件成本高昂。

作為這些基于TWT的高功率放大器的替代方案，ADI公司開發了基于GaN技術的8 kW固態X波段功率放大器。該設計采用創新的分層合路器方法，將 256 個 MMIC 的貢獻射頻/微波輸出功率相加，每個 MMIC 產生約 35 W 的輸出功率。組合方法會導致在發生單個 MMIC 故障時性能正常下降。這與TWT放大器形成鮮明對比，TWT放大器由于冗余水平低，往往會遭受災難性的故障。對于這些固態GaN功率放大器，RF/微波組合架構必須在MMIC之間所需的隔離與整個網絡的RF/微波插入損耗之間取得合理的平衡。

8 kW 放大器拓撲是模塊化的，由四個 2 kW 放大器組件組成，其輸出功率采用波形導軌結構組合（圖 1）。放大器可以安裝在標準的 19“ 機架外殼中。放大器的當前設計（圖2）配置為水冷，但使用風冷的放大器變體正在開發中。表 1 匯總了水冷 8 kW GaN PA 的性能水平。

圖1.基于 GaN 的固態功率放大器，能夠在 X 波段頻率下提供 8 kW 的輸出功率。

圖2.表示GaN、X波段固態功率放大器的結構和組件的框圖。

表 1.典型的 8 kW PA 性能

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8 kW SSPA的設計方式使這些模塊化SSPA可以組合在一起以產生更高的功率水平。目前正在開發一種放大器，該放大器將結合其中三個8 kW SSPA模塊，以在相同頻率范圍內實現24 kW峰值輸出功率水平的單位。其他實現功率水平達到 32 kW 的配置是可行的，并且正在考慮進一步評估。

ADI公司目前正在開發一種基于GaN技術的先進功率模塊，該模塊將使當前模塊的RF/微波輸出功率翻倍。該模塊設計為密封，以支持在極端環境中的操作。這與插入損耗降低的下一代組合結構（與當前方法相比）一起，將在射頻/微波頻率下將脈沖輸出功率擴展到接近75 kW至100 kW的水平。這些先進的高功率SSPA將包括控制和處理器功能，以實現故障監控、內置測試（BIT）功能、遠程診斷測試以及為放大器供電的MMIC器件的快速、實時偏置控制電路控制。

這些基于GaN的固態功率放大器滿足了業界對具有寬瞬時帶寬和高輸出功率水平的放大器的需求。一些系統試圖使用通道化或多個放大器來滿足這些要求，每個放大器覆蓋所需頻譜的一部分并為多路復用器供電。這導致成本和復雜性增加，并導致多路復用器頻率交越點的覆蓋差距。更有效的替代解決方案是在高功率水平下連續覆蓋寬頻率范圍，就像兩個不同的基于GaN的放大器一樣，覆蓋VHF到L波段頻率，以及2 GHz至18 GHz。

針對VHF至S波段頻率的應用，ADI公司開發了一種非常小、功能豐富的多倍頻程放大器，能夠在50 MHz至115 MHz范圍內提供2000 W輸出功率。當輸入標稱輸入信號為46 dBm時，該放大器在整個頻率范圍內可實現40 dBm（典型值為0 W）的輸出功率電平。

該放大器采用尺寸為 7.3“ × 3.6” × 1.4“ 的緊湊型外殼，包括用于熱和電流過載保護、遙測報告和集成 DC-DC 轉換器的 BIT 功能，可在 26 V 輸入電源范圍內實現不折不扣的 RF 性能直流至 30 V直流.圖3提供了放大器的照片，以及圖4所示輸出功率與頻率的典型測量性能數據。

圖3.連續波 （CW）、50 W、固態功率放大器，工作頻率范圍為 115 MHz 至 2000 MHz。

圖4.顯示 50 W、115 MHz 至 2000 MHz 功率放大器的輸出功率與頻率的關系圖。

為了滿足2 GHz以上的寬帶應用需求，ADI公司還開發了一款GaN放大器，可在整個50 GHz至2 GHz頻段內產生18 W連續波（CW）輸出功率。該放大器使用市售的10 W GaN MMIC，輸出功率貢獻通過寬帶、低損耗組合器電路求和。多個放大器可以依次組合，以在相同的200 GHz至2 GHz帶寬上產生高達18 W的輸出功率。驅動放大器鏈也基于GaN有源器件。該放大器工作在 48 VDC 電壓下，具有內部穩壓器和高速開關電路，可實現脈沖操作，具有良好的脈沖保真度和快速上升和下降時間。表2列出了該放大器的規格。圖5提供了放大器的照片，圖6顯示了放大器的輸出功率與2 GHz至18 GHz頻率的函數關系。

表 2.典型寬帶 SSPA 性能

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圖5.放大器能夠承受 50 W 的 2 GHz 至 18 GHz 的 CW 輸出功率。

圖6.顯示 50 W、2 GHz 至 18 GHz 功率放大器的輸出功率與頻率的關系圖。

這款 50 W 放大器是覆蓋 2 GHz 至 18 GHz 頻段的放大器系列之一。ADI還開發了一款輸出功率為12 W的緊湊型臺式放大器（圖7）和輸出功率為100 W的機架安裝單元（圖8）。其他頻率覆蓋范圍為2 GHz至6 GHz和6 GHz至18 GHz的放大器正在開發中。ADI還致力于將這些寬帶放大器的輸出功率從目前的水平提高到200 W或更高的功率水平。為了實現這些更高的輸出功率水平，該公司正在開發具有更高輸出功率的模塊，以及寬帶RF功率組合器，其組合效率大大提高，損耗比當前的功率組合器更低。

圖7.寬帶 2 GHz 至 18 GHz 功率放大器，在整個頻率范圍內產生 12 W CW 輸出功率。

圖8.2 GHz 至 18 GHz 固態功率放大器，可在整個頻率范圍內產生 100 W CW 輸出功率。

這些是基于GaN的固態放大器可能達到的性能水平的幾個示例。隨著越來越多的GaN半導體供應商轉向更大的晶圓尺寸，并繼續提高每個晶圓的器件產量，這些放大器的單位成本預計將在未來下降。隨著柵極長度的減小，在毫米波頻率下運行的系統將更多地使用GaN器件，從而使基于GaN的SSPA能夠實現更高頻率的操作。很明顯，目前提高性能和降低成本的GaN趨勢應該會持續一段時間。

審核編輯：郭婷