gan功率放大器发展状态评测 来源：互联网 氮化镓(gan)功率半导体

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1、GaN功率放大器发展状态评测来源：互联网氮化镓(GaN)功率半导体技术为提高RF/微波功率放大的性能水平作出了巨大贡献。通过降低器件的寄生参数，以及采用更短的栅极长度和更高的工作电压，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效率。例如，在2014年，能支持8kW脉冲输出功率的GaN工艺的X波段放大器已被验证能在雷达系统应用中替代行波管(TWT)和TWT放大器。到2016年，预计会有很多这种支持32kW的固态GaN工艺的共V领放大器出现。在期待这些放大器的同时，我们将考察高功率GaN放大器的一些主要特征和特性。不久前

2、，GaN还是反射频电子战(CREW)应用的首选技术，已有成千上万的放大器交付实际使用。现在，该技术也被部署到机载电子战领域，开发中的放大器能够在RF/微波范围的多个频带上提供数百瓦的输出功率。多款此系列的宽带电子战功率放大器将会在今年发布。后续研究方面包括改进高峰均功率比(PAPR)波形的线性度，此类波形被许多军用通信系统采用，包括通用数据链(CDL)、宽带网络波形(WNW)、军用无线电波形(SRW)和宽带卫星通信(satcom)应用。ADI公司的“比特转RF”计划将整合公司在基带信号处理和GaN功率放大器(PA)技术方面的优势。通过使用预

3、失真和包络调制等技术，这种整合将有利于提高PA线性度和效率。过去几年发布的GaN器件既有分立式场效应晶体管(FET)，也有单芯片微波集成电路(MMIC)，它们已广泛用于高功率微波放大器系统。此类器件有多家晶圆厂和器件制造商可以提供，通常采用100mm碳化硅(SiC)晶圆制造。硅上氮化镓工艺也在考虑当中，但硅的热导率和电导率相对较差，抵消了其在高性能、高可靠性应用中的成本优势。这些器件的栅极长度小至0.2μm，支持在毫米波频段工作。在许多高频应用以及所有低频应用（除对成本最为敏感的应用之外）中，基于GaN的器件已经在很大程度上取代了砷化镓(G

4、aAs)和硅横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件。RF功率放大器设计人员关注GaN器件，因为它们支持非常高的工作电压（比GaAs高三到五倍），并且每单位FET栅极宽度容许的电流大致是GaAs器件的两倍。这些特性对PA设计人员有重要意义，意味着在给定输出功率水平可以支持更高的负载阻抗。以前基于GaAs或LDMOS的设计的输出阻抗常常极其低（相对于50Ω或75Ω的典型系统阻抗而言）。低器件阻抗会限制可实现的带宽，也就是说，随着放大器件与其负载之间的阻抗转换比要求提高，元件数和插入损耗也会增加。由于这种高阻抗，此类器件的早期使用者在某些情况

5、下仅将一个器件安装在不匹配的测试夹具中，施加直流偏置，并用RF/微波测试信号驱动该器件，便取得了部分成果。由于这些工作特性及其异常高的可靠性，GaN器件也适用于高可靠性空间应用。多家器件供应商在225°C或更高的结温下进行了寿命测试，结果表明单个器件的平均失效前时间(MTTF)超过一百万小时。如此高的可靠性主要是因为GaN具有很高的带隙值（GaN为3.4，GaAs为1.4），这使得它特别适合高可靠性应用。扩大GaN在高功率应用中的使用的主要障碍是其制造成本相对较高，通常比GaAs高出两到三倍，比SiLDMOS器件高出五到七倍。这阻碍了它在无

6、线基础设施和消费者手持设备等成本敏感型应用中的使用。现在有了硅上氮化镓工艺，虽然存在上面提到的性能问题，但这种工艺生产的器件可能最适合成本敏感型应用。在不久的将来，随着GaN器件制造转向更大尺寸的晶圆（直径150mm及更大，目前有多家领先的GaN器件代工厂正在开发），成本有望降低50%左右。2、GaN功率放大技术发展状态评测目前部署的用于天气预报和目标捕获/识别的雷达系统，依赖于工作在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（10kV至100kV）和高温下运行，容易因为冲击和振动过大而受损。这些TWT放大器的现场可靠性通

7、常只有1200到1500小时，导致维护和备件成本很高。作为高功率TWT放大器的替代产品，ADI公司基于GaN技术开发了一款8kW固态X波段功率放大器。该设计采用创新的分层合并方法，将256个MMIC的RF/微波输出功率加总，各MMIC产生大约35W的输出功率。当个别MMIC发生故障时，这种合并方法保证输出性能不会急剧降低。TWT放大器则不是如此，由于其冗余性较低，单一故障往往会导致器件发生灾难性故障。对于这种固态GaN功率放大器，RF/微波合并架构必须在MMIC间所需的隔离与整个网络的RF/微波插入损耗之间取得合理的平衡。8kW放大器拓扑是

8、模块式，包括4个2kW放大器组件，其输出功率利用波导结构加以合并（图1）。该放大器可以安装在标准19英寸机壳中。该放大器的当前设计（图2）采用水冷，其他采用空冷的版本正在开发当中